Теоретические основы работы и описание установки

ТЕПЛОТА РАСТВОРЕНИЯ СОЛИ

Практическое руководство к выполнению лабораторной работы

Северск 2012

УДК

ББК

K

Конькова А.В., Смолкина Т.В.

Конькова А.В., Смолкина Т.В. Теплота растворения соли: практическое руководство. / А.В. Конькова, Т.В. Смолкина. – Северск: Изд-во СТИ НИЯУ МИФИ, 2012. – 12 с.

Руководство содержит план коллоквиума, краткое изложение теоретического материала, описание хода работы и список рекомендуемой литературы.

Предназначено для студентов дневной, вечерней и заочной форм обучения по нехимическим специальностям при выполнении лабораторных работ по курсу «Физическая химия».

Одобрено на заседании методического совета кафедры ХиТМСЭ (протокол №____ от ____ ________2021 г.)

Печатается в соответствии с планом выпуска учебно-методической литературы на 2012 г, утверждённым Учёным советом СТИ НИЯУ МИФИ.

Рег. № 7.12 / от « 07 » июня 2012 г.

Рецензент

канд. техн. наук, доцент СТИ НИЯУ МИФИ

О.А. Ожерельев

Редактор

Р.В. Фирсова

Подписано к печати____________ Формат 60х84/32

Гарнитура Times New Roman. Бумага писчая №2

Плоская печать. Усл. печ. л. 0,35 Уч. изд. л. 0,63

Тираж 50 экз . Заказ_____

Отпечатано в ИПО СТИ НИЯУ МИФИ

636036, г. Северск Томской обл.,

пр. Коммунистический, 65

Содержание

Содержание...................................................................................................................... 3

1 План коллоквиума ....................................................................................................... 3

2 Теоретические основы работы и описание установки............................................. 4

3 Порядок выполнения работы ..................................................................................... 7

4 Построение графиков и расчеты ................................................................................ 9

5 Безопасность труда .................................................................................................... 11

Рекомендуемая литература .......................................................................................... 12

План коллоквиума

1.1 Теплота растворения соли

1.2 Экзо- и эндотермический процесс, знаки тепловых эффектов.

1.3 Из каких процессов состоит процесс растворения кристаллического вещества, какие тепловые эффекты их сопровождают.

1.4 Что такое постоянная калориметра, как ее определить? Уравнение для расчета, входящие величины.

1.5 Для чего проделывают опыт с KCl?

1.6 Расчетное уравнение для экспериментального определения теплоты растворения исследуемой соли, входящие величины.

1.7 Устройство калориметрической установки.

1.8 Порядок выполнения работы. Когда нужно включить секундомер, когда выключить? Когда всыпать соль? Когда можно завершить эксперимент?

1.9 Вид графика, основные периоды. Каким образом по графику определить действительное значение изменения температуры?

1.10 Как определить значения Δt_KCl и Δt_соли?

Теоретические основы работы и описание установки

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

(1)

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).

Рисунок 1 – Схема процесса растворения соли

Первый процесс ‑ 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. Второй процесс ‑ разрушение кристаллической решетки и отрыв от нее ионов. Для протекания этого процесса требуется затратить некоторое количество энергии, которое система поглощает 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.

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 котором проводят процесс растворения, и защитной оболочки 2, уменьшающей тепловое взаимодействие сосуда и раствора 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^раств = (m₁с₁ +m₂с₂ +m₃с₃ + ...)(t_кон –t_нач ), (2)

где Q^раств – теплота процесса растворения соли, Дж;

m₁ – масса раствора, г;

с₁ – теплоёмкость раствора, Дж/г;

m₂ – масса сосуда, г;

с₂ – теплоёмкость сосуда, Дж/г;

m₃– масса мешалки, г;

с₃ – теплоёмкость мешалки, Дж/г и т.д.;

(t_кон – t_нач) – изменение температуры, град.

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. (3)

Величина K называется теплоёмкостью калориметрической системы или постоянной калориметра. Она указывает количество теплоты, которое необходимо сообщить участвующим в теплообмене частям калориметра, чтобы повысить их температуру на один градус. Для определения Kпроводится дополнительный опыт, в котором определяют изменение температуры при растворении какой-либо соли, тепловой эффект растворения которой заранее известен. Обычно в качестве такой соли используют KCl. Для дополнительного опыта уравнение (2) с учетом уравнения (1) запишется так:

, (4)

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

m_KCl – масса растворенного KCl, г;

– теплота растворения 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 (4) находят K:

(5)

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 рассчитывают по уравнению:

, (5)

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

m_соли – масса растворенной соли, г.