Визначення теплоти розчинення і теплоти гідратації солі

Для роботи необхідно: калориметр; термометр; мішалка; пробірка для солі; дистильована вода; секундомір; сіль для розчинення; джерело струму; амперметр; вольтметр; електрообігрівач.

 

Мета роботи:

1. Визначення теплоємності калориметричної системи методом електро-
обігріву.

2. Визначення питомої теплоємності розчинення солі.

3. Визначення інтегральної теплоти розчинення, тобто теплового ефекту розчинення одного моля солі в такій кількості розчинника, коли Q буде постійним – Q _інт.

4. Визначення теплоти гідратації солі – питомої і віднесеної до одного моля солі.

 

Тепловий ефект розчинення солі в великій кількості води дорівнює двом тепловим ефектам: зміні тепловмісту солі при руйнуванні криста-
лічної гратки Q ₁, що зв’язано з поглинанням тепла і зміною тепловмісту при розчиненні частинок у розчиннику, що зв’язано з виділенням тепла Q ₂:

.

В залежності від співвідношення величин відповідних ефектів, тепло-
вий ефект розчинення може мати додатне або від’ємне значення. Тепловий ефект розчинення солей у воді здебільшого ендотермічний, тобто процес розчинення супроводжується поглинанням тепла і температура розчину понижується. Дуже рідко спостерігається екзотермічний тепловий ефект. Теплота розчинення заданої солі в заданому розчиннику може змінюва-
тися, якщо змінювати кількість взятої солі і розчинника.

Визначивши теплоти розчинення солей, можна визначити і теплоту гідратації солі. Теплотою гідратації називають кількість тепла, яку сис-
тема повинна одержати для утворення одного грам-моля твердого крис-
талогідрату з твердої безводної солі і відповідної кількості води. Якщо визначити послідовно тепловий ефект розчинення твердої безводної солі і тепловий ефект розчинення кристалогідрату, то із різниці можна знайти теплоту гідратації

,

Q _Б. – тепловий ефект розчинення безводної солі;

Q _К. – тепловий ефект розчинення кристалогідрату з молекули води.

Для визначення теплоти розчинення користуються калориметром з електрообігрівачем. При визначенні теплоємності системи виходять з того, що на систему подають певну кількість тепла електрообігрівом Q_теор. і відраховують зміну температури D t.

Для проведення експерименту збирають прилад (калориметр). У склян-ку наливають 300 г дистильованої води (тобто 300 мл, враховуючи, що густина води при температурі досліду приблизно дорівнює 1). Склянку з мішалкою ставлять у калориметр і закривають кришкою. На кришці калориметру закріплена спіраль для обігріву. Зважують певну кількість солі (на технічних терезах), висипають її в суху пробірку і вставляють у калориметр через отвір на кришці, щоб сіль прийняла температуру калориметричної установки. (Сіль і наважка солі вказується керівником заняття). Коли калориметрична установка зібрана, починають налагод-
жувати термометр Бекмана. Термометр занурюють у воду через отвір на кришці і спостерігають за рівнем ртуті в капілярі. Рівень ртуті повинен знаходитись у нижній частині шкали. (Термометр не повинен торкатись спіралі, стінок стакану, пробірки і мішалки). Якщо рівень ртуті вищий одного градуса, або весь капіляр заповнений ртуттю, то це означає, що її багато в нижньому резервуарі і надлишок її необхідно перелити у верхній резервуар.

Для цього термометр ставлять похило, щоб нижній резервуар знахо-
дився вище верхнього, і трошки підігрівають (торкнувшись рукою ниж-
нього резервуару). Коли частина ртуті перейде у верхній резер-
вуар, стовпчик ртуті розривають. Для цього затискують нижній кі-
нець термометра в руці і легким постукуванням руки по столу роз-
ривають ртуть у капілярі. Пере-
ливання роблять до тих пір, поки при даних умовах ртуть не зупи-
ниться в середині шкали термо-
метра Бекмана. Якщо ртуть зна-
ходиться нижче поділок шкали або зовсім не заповнює капіляр, отже при даних умовах ртуті недостатньо і її потрібно пере-
лити із верхнього в нижній резер-
вуар, тоді швидко перегортають термометр верхнім резервуаром вниз і з’єднують ртуть. Потім обережно перегортають термометр, тримаючи його похило, так, щоб запасний резервуар знаходився вище основного. Коли необхідна кількість ртуті перейде з верхнього резервуару в нижній, стовпчик ртуті розривають, як вказано вище.

Налагоджений термометр вставляють у прилад і приступають до складання електричної схеми (рис. 1). Джерело струму включається тільки після перевірки електричної схеми керівником занять.

Після цього приступають до виконання експерименту. Переміщуючи рідину в калориметрі, включаючи секундомір, починають відлік темпе-ратури по термометру. Температура змінюється внаслідок теплообміну із зовнішнім середовищем. Відлік ведуть кожні півхвилини протягом
5 хвилин – це початковий період. Записавши час і покази термометра останнього відліку початкового періоду, включають струм на 3 хвилини і продовжують відлік через кожні півхвилини. При цьому для рівномірного обігріву води в стакані проводять її перемішування. Починаючи з часу включення струму, проходить нерівномірна зміна температури. Струм відключають і рівномірне падіння температур відраховують протягом
5 хвилин (через кожні півхвилини) – це кінцевий період.

Вмикання і вимикання струму проводять три рази і кожного разу записують покази приладів. Після третього вимикання струму, продов-
жуючи відлік, швидко висипають сіль з пробірки в стакан з водою і енергійно перемішують. При цьому сіль буде швидко розчинятись. Для більш точного визначення D t нагрівання і D t розчинення результати трьох періодів і чотирьох циклів безперервного відліку зміни температури з часом (три цикли і один цикл розчинення солі) заносяться на графік рис. 2.

По осі абсцис відкладають час, по осі ординат – темпера-туру (тобто покази термометра). Прямі початкового і кінцевого періодів екстраполюють, тобто продовжують до середини діа-
грами. Проміжок часу голов-
ного періоду ділять пополам і з цієї точки проводять пряму, па-
ралельну осі ординат до пе-
ретину з обома екстрапольо-
ваними прямими. Відрізок між двома точками перетину відповідає підвищенню температури D t для даного циклу. Аналогічно знаходять D t для всіх циклів досліду.

Дійсну температуру D t_нар. знаходять як середнє арифметичне

.

D t розчинення визначають аналогічно. Якщо після нагрівання на шкалі термометра далі не можна заміряти зміну температури розчинення солі, то дослід після нагрівання зупиняють. Термометр налагоджують на відповідні поділки шкали і проводять цикл розчинення солі.

Знаючи D t нагрівання, вираховують кількість тепла, яка одержана водою під час її нагрівання

,

де с – питома теплоємність води, яку приймають за одиницю;

т – вага води, яка дорівнює її об’єму 300 мл.

Підставляючи ці значення, одержимо

.

Ця кількість тепла менша за Q_теор., у зв’язку з поглинанням тепла системою. Q_теор. можна розрахувати, виходячи з закону Джоуля – Ленца.

(Дж).

Виміряючи силу струму І в амперах, напругу U – у вольтах, а час проходження струму t – в секундах, визначають кількість тепла в джоулях.

Із розрахованої теоретичної кількості тепла віднімають кількість тепла, що одержана експериментально і різницю перераховують на 1 К. Це і буде кількість, яка поглинається всіма частинами калориметру – С_к.

Розраховують її, виходячи з пропорції

,

,

.

Загальна теплоємність системи дорівнює

.

де С_рід. – теплоємність калориметричної рідини, яка дорівнює:

,

С – питома теплоємність розчину, приблизно дорівнює одиниці. Масу розчину приймають рівною об’єму, тобто 300 мл. Тоді С_рід можна прийняти рівною 1293,6 Дж, отже

.

Визначивши по графіку D t _розч. і розрахувавши теплоємність калориметричної системи, знаходять тепловий ефект розчинення взятої наважки солі:

.

Тепловий ефект розчинення, віднесений до одного грама розчиненої речовини, дає питому теплоту розчинення:

,

де g – наважка солі в грамах. Молекулярна теплота розчинення дорівнює:

,

де М – молекулярна маса солі.

Для визначення молекулярної теплоти гідратації знаходять моле-
кулярну теплоту розчинення безводної солі і кристалогідрату цієї солі. Різниця одержаних молярних теплот і буде теплотою гідратації

.

Кристалогідрат розчиняють не в 0,3 кг води, а в кількості, меншій на величину, яка міститься в наважці кристалогідрату.

Правильність результатів роботи перевіряється керівником занять.

Результати досліду записуються у табл. 1 і 2:

Таблиця 1

Наважка б/в солі,10^-3 кг

Мол. маса б/в солі, кг/кмоль

Наважка криста- логідрату, 10^-3 кг

Молекулярна маса кристалогідрату, кг/кмоль

Об’єм розчин- ника, 10^-6м^3

Сила струму, А

Напруга, В

Час, за який проходить струм, с

Q теоретичне, Дж

Зміна температури при нагріванні, К

Середнє значення зміни температури, К

Q практичне, Дж

Теплоємність калометр. сист., Дж

I1= I2= I3= Icep=

U1= U2= U3= Ucep=

t1= t2= t3=

DТ1= DТ2= DТ3=

Таблиця 2

 

Зміна температури при розчиненні, К	Теплота розчинення, Дж	Теплота гідратації, Дж
б/в солі	кристалогідрату
б/в солі	крис- тало-гідрату	Q	QT	QM	Q	QT	QM	Q	QT	QM