Додати в закладки
Переклад
Translate
 Вхід в УЧАН Анонімний форум з обміну зображеннями і жартами. |
|
|
Скачати одним файлом. Книга: ПЕРЕДМОВА
I. ХІМІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА
1. ВИЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОТИ ЗГОРІННЯ РЕЧОВИН ЗА ДОПОМОГОЮ КАЛОРИМЕТРА ЮНКЕРСА
Для роботи необхідно: калориметр Юнкерса; сухий спирт; кон-
тактний термометр; барометр; технічна вага; мірний циліндр на 1 – 2 л; секундомір.
Мета роботи – визначення теплотворної здатності твердих, рідких і газоподібних горючих речовин. Для цього застосовується калориметр системи Юнкерса, так званий ручний калориметр, який зображений на рис.1.
Рис.1.
В ньому можуть згорати гази (метан, етан, пропан, бутан), рідкі речовини (спирти) та тверді речовини (цукор, сухий спирт тощо). В кожному випадку на вході калориметра робиться спеціальний пристрій, за допомогою якого спалюють речовину: чи то в газовій горілці (як показано на рисунку 1), чи то в cпиртівці (рідкі речовини), або на спеціальній підставці спалюють тверді речовини (їх розміщують на металевій сіточці, вкритій азбестом). В залежності від агрегатного стану речовини, калорійність якої визначають, теплотворну здатність відносять або до одиниці об'єму (газуваті речовини), або до одиниці маси (рідкі і тверді речовини). Кількість спаленого газу вимірюють за допомогою газового лічильника, тоді як кількість рідини чи твердої речовини, яка згоріла під час досліду, визначають по різниці маси на початку і кінці досліду. В останньому випадку спиртовку зважують до досліду і після досліду (разом із спиртом), і знаходять різницю спирту, що випарувався і згорів. У випадку твердої речовини (сухий спирт) декілька кубиків речовини зважують перед дослідом, потім їх вміщують на підложку у входа до калориметра і підпалюють. Через певний час гасять полум'я і після охолодження залишкової маси її зважують. По різниці маси визначають кількість сухого спирту, який згорів під час досліду.
Розрізняють вищу і нижчу теплотворну здатність палива. Вища теплотворна здатність – це та кількість тепла, яка виділяється при згоранні органічної речовини з утворенням рідкої води (тобто враховується і та теплота, яка виділяється при конденсації води).
Нижча теплотворна здатність речовини – це теплота згорання з утворенням пароподібної води (коли частина теплоти виноситься з продуктами горіння у вигляді водяної пари).
Метою даної роботи є визначення вищої теплотворної здатності речовини. Визначення теплотворної здатності твердих і рідких речовин проводять у калориметричній бомбі при сталому об'ємі, тоді як визначення теплотворної здатності газоподібних речовин проводять у калориметрі Юнкерса при сталому тиску. Але цей калориметр може бути використаний і для вимірення калорійності твердих і рідких речовин, якщо його трохи переобладнати.
Принцип роботи такої установки: газ із балону поступає в прилад С, звідки проходить у пальник, закріплений у нижній частині калориметра К, де і згорає. У випадку твердих речовин замість горілки вставляють спеціальну підставку, на якій розміщена досліджувана речовина (сухий спирт). Протягом всього досліду через калориметр циркулює вода. Із крана через трубку a вода направляється в чашку D, звідки під деяким сталим тиском поступає в середину калориметра, виходить в чашку е і через кран l може відводитись у відлив або мірний циліндр. Надлишок води з чашки D відводиться зa допомогою трубки d теж у відлив.
Продукти горіння піднімаються по трубках, які є в корпусі кало-
риметра, і віддають тепло циркулюючій воді. Внаслідок цього температу-
ра води, яка проходить через калориметр, підвищується. Охолоджені продукти горіння спускаються вниз і виходять через вивідну трубку Е. Температура вхідної і вихідної води вимірюється з допомогою термометрів t1
і t2.
Для правильної роботи установки важливо, щоб вона була у вер-
тикальному положенні. Це контролюється по рівневі, який знаходиться на зовнішній стінці калориметра.
Кількість речовини, яка спалюється, визначають по різниці початкової mo і кінцевої маси mt: 
.
Експериментальна частина
Відкриванням водопровідного крана пускають воду в калориметр. Користуючись міткою на крані l, повертають його так, щоб, виходячи із калориметра, вода попадала у відлив.
Підпалюють сухий спирт і протягом 10–15 хвилин дома-
гаються сталості температур вхідної і вихідної води, весь час спосте-
рігаючи за горінням спирту. Температуру вхідної і вихідної води спостерігають на обох термометрах і записують через кожну хвилину протягом 5 хвилин. З одержаних даних знаходять середню температуру води. Потім повертають головку крана так, щоб вода витікала в циліндр Z
ємністю 1 літр. Коли в циліндр витече 1 літр води, кран перекривають. По масі сухого спирту, що згорів, і масі води, що набрана в циліндр, і різниці в показниках термометра розраховують теплотворну здатність речовини. Для розрахунків необхідно знати також і барометричний тиск, пружність парів води при заданій температурі і кімнатну температуру.
Кількість тепла (в Дж), яке пішло на нагрівання води при згоранні певної маси речовини розраховують по формулі
,
де т – маса води, кг; С – теплоємність води, Дж/кмоль; Т1 – температура води (К) на вході калориметра; Т2 – температура води (К) на виході з калориметру.
Калорійність сухого спирту, розрахована на 1 кг, знаходять по формулі
103.
Дослід проводять при різній швидкості протікання води і вираховують середнє значення теплотворної здатності сухого спирту. Режим роботи вказується керівником заняття. Запис ведеться за такою формою (див. табл. 1):
|
m = g = H = |
h = Т, К = Q = |
Таблиця 1
|
Початкова маса mo, кг |
Кінцева маса mt, кг |
∆mr, кг |
Температура води, Т К |
Середня темпе- ратура води, Т К |
||
|
що входить |
що виходить |
що входить |
що виходить |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Пружність парів води в залежності від температури наведена в
табл. 2.
Таблиця 2
|
Т К |
h, мм рт.ст. |
Т К |
h, мм рт.ст. |
|
287,0 |
11,987 |
292,5 |
16,99 |
|
287,5 |
12,382 |
293,0 |
17,535 |
|
288,0 |
12,783 |
293,5 |
18,085 |
|
288,5 |
13,205 |
294,0 |
18,650 |
|
289,0 |
13,634 |
294,5 |
19,231 |
|
289,5 |
14,076 |
295,0 |
19,827 |
|
290,0 |
14,530 |
295,5 |
20,440 |
|
290,5 |
14,997 |
296,0 |
21,068 |
|
291,0 |
15,477 |
296,5 |
21,714 |
|
291,5 |
15,971 |
297,0 |
22,377 |
|
292,0 |
16,477 |
298,0 |
23,765 |
2. 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 – Qінт.
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 Q1, що зв’язано з поглинанням тепла і зміною тепловмісту при розчиненні частинок у розчиннику, що зв’язано з виділенням тепла Q2:
.
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
,
QБ. – тепловий ефект розчинення безводної солі;
QК. – 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 Qтеор. і відраховують зміну температури Dt.
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 Dt нагрівання і Dt 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 Dt для даного циклу. Аналогічно знаходять Dt для всіх циклів досліду.
Дійсну температуру Dtнар. знаходять як середнє арифметичне
.
Dt 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 Dt 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 Qтеор., у зв’язку з поглинанням тепла системою. Qтеор. 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 – Ск.
Розраховують її, виходячи з пропорції
,
,
.
Загальна теплоємність системи дорівнює
.
де Срід. – теплоємність калориметричної рідини, яка дорівнює:
,
С – питома теплоємність розчину, приблизно дорівнює одиниці. Масу розчину приймають рівною об’єму, тобто 300 мл. Тоді Срід можна прийняти рівною 1293,6 Дж, отже
.
Визначивши по графіку Dtрозч. 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, 10-6м3 |
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 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЗМІСТ
На попередню
|
|
