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 m_o і кінцевої маси m_t: .

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):

Таблиця 1

Пружність парів води в залежності від температури наведена в

табл. 2.

Таблиця 2

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 – 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 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

,

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 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 Dt_нар. 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 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 Dt_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

Таблиця 2