Беляев Б.А. и др. Лабораторный практикум по химической термодинамике (1022705), страница 2
Текст из файла (страница 2)
При любом химическом или физико-химическом процессепроисходит перестройка химических связей или характера взаимодействиямежду частицами: ионами, атомами, молекулами. Внешне это проявляется ввиде выделения или поглощения тепла - теплового эффекта.Рассмотрим это на двух простых примерах.Реакцию С 2 Н 2 + Н 2 = С 2 Н 4 схематически можно представить так:И[н-с=с-н]+ [н- н]Н> с=с<ннИз этой схемы видно, что в ходе химической реакции разрушились однасвязь С=С и связь Н-Н, а образовались связь С=С и две связи С-Н. Каждаясвязь характеризуется своей энергией, при этом при разрушении любой связиэнергия всегда затрачивается, т.е. подводится к системе - процесс6эндотермический, а при образовании - всегда выделяется, т.е.
процессэкзотермический. Следовательно, результат зависит от соотношения суммэнергий связей разрушенных и вновь образованных.Другой пример - процесс плавления кристаллического вещества. Втвердомсостояниибольшинствовеществимеютопределеннуюкристаллическую структуру, в которой частицы (ионы, атомы или молекулы)связаны друг с другом жесткими связями. При плавлении происходитразрушение этих связей и образование нового распределения частиц вжидком состоянии, с другим характером взаимодействия между ними.Поскольку силы, удерживающие частицы в кристалле (ДНрсш), более прочные,чем в жидкости, то на разрушение кристалла требуется затратить большеэнергии, чем ее выделится при формировании определенных силвзаимодействия в жидком состоянии.
Именно поэтому процесс плавления,как, кстати, и процесс испарения, является эндотермическим.Рассмотренныепримеры являются лишь упрощеннойсхемойпроцессов, в действительности механизм более сложный, однако суть ихзаключается в том, что изменение характера взаимодействия междучастицами внешне проявляется в виде теплового эффекта.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯЧАСТЬ2.1. Общие положения2.1.1.КалориметрияОдним из экспериментальных методов определения тепловых эффектовразличных процессов является метод калориметрии.Определениевыделенной (или поглощенной) теплоты процесса проводят обычно вприборе - калориметре.
При этом изучаемый процесс проводят так, чтобытеплота Q процесса по возможности быстро и полностью отдаваласькалориметру (или отнималась от него). Количество тепла, которое системаотдает калориметру, например, в процессе растворения какого-либо веществарассчитывается по формуле:Q = qpBmpB,С1-10)где q p u - удельная теплота растворения вещества (Дж/г),шр „, - масса растворяемого вещества (г).Совокупность частей калориметра, между которыми распределяется всетепло, подлежащее измерению, называется калориметрической системой.Калориметрические измерения, как правило, состоят в определенииизменения температуры (AT) калориметрической системы в ходе опыта.Измеряемое количество тепла рассчитывают но формуле:7Q' = A T I C k m k ,(I.il )где ECk mk - суммарная теплоемкость калориметрической системы.В пределах точности измерений можно принять, что Q - отданноесистемой равно Q' - принятой калориметром или уравнение тепловогобаланса получит вид:( - q p B m p B ) = ATZC k m k .(1.12)При этом, если AT < 0, то q p в > ОКалориметры бывают нескольких типов, классификация их проводитсяпо таким признакам, как принцип действия, тип исследуемых процессов,агрегатное состояние рабочего тела, способ перемешивания и другие.
Еслиперемешивание проводится с помощью мешалки, такой калориметрназывается статическим. Особое внимание уделяется измерению изменениятемпературы, при этом всегда стремятся достичь наибольшей точности. Вкачестве измерителя температур используются: термометрБекмана(термометр расширения), термометры сопротивления, термопары и др.Наиболеечастовлабораторнойпрактикеприменяетсяизопериболический жидкостной калориметр смешения (растворения), вкотором учитывается теплообмен с окружающей средой путем введенияпоправки при расчете изменения температуры в ходе проведения опыта. Онсостоит из реакционного сосуда, защищенного от теплообмена с окружающейсредой стаканом из органического стекла и закрытого пенопластовойкрышкой. Через крышку вреакционный сосуд вводится измерительтемператур и воронка для загрузки реагирующих веществ.
Перемешиваниереакционной смеси проводится с помощью магнитной мешалки. В качестверабочего тела используется дистиллированная вода, а в качестве измерителятемператур - термометр сопротивления. Принцип действия его основан натом, что металлы и полупроводники могут изменять свое сопротивление приизменении температуры. Достоинствами термометровсопротивленияявляются: высокая точностьизмерениятемпературы,возможностьавтоматической записи, передача показаний на расстояние и др. Термометрсопротивления соединен с потенциометром в качестве регистрирующегоприбора. Показания прибора, записанные на диаграмме, пропорциональныизменению температуры.
Наиболее простая схема установки, используемой вработе, приведена на рис. 1.1.Она включает магнитную мешалку (1), на которой расположен внешнийстакан из органического стекла (2). В нем находится внутренний стакан изстекла на 500 мл (3), на дно его опущен магнит в защитной оболочке (4).Внешний стакан закрыт пенопластовой крышкой (5), нижняя часть которойодновременно закрывает внутренний стакан. Через отверстия в крышкепогружают во внутренний стакан термометр сопротивления (6) и воронку (7),которую можно заменять пробиркой или трубкой соответствующегодиаметра, если это необходимо. Термометр сопротивления подключен к8мостиковой схеме.
В ней имеется магазин сопротивлений (8) иизмерительный прибор - самопишущий потенциометр КСП-4 (9).Магазин сопротивлений (8) служит для регулировки положения пишущегоузла самописца, позволяет наилучшим образом использовать поледиаграммной бумаги и обеспечить возможность проведения экспериментов вотносительно широком диапазоне температур. Изменение сопротивлениямагазина практически не меняет чувствительности в диапазоне измерений, адает возможность переносить начало отсчета.Рис. 1.1. Установка для определения тепловых эффектов сизоиериболическим калориметром2.1.2. Порядок работы скалориметромВключите в сеть потенциометр КСП-4 и магнитную мешалку припомощи штепсельных вилок. Откройте переднюю дверцу потенциометра.
Напередней панели в правом нижнем углу находятся тумблеры с надписями"ПРИБОР" и "ДИАГРАММА". Включите тумблер "ПРИБОР". Дляобеспечения стабильности работы потенциометра он должен прогреться.Времени проведения подготовительных операций до начала измерений будет9для этого достаточно. Снимите пенопластовую крышку, не вынимая из неетермометра сопротивления. Будьте осторожны, не разбейте стекляннойоболочки, в которой находится сам термометр. Выньте внутреннийстеклянный стакан.
При помощи мерных колб на 50 и 250 мл отмерьте изалейте в стеклянный стакан 300 мл дистиллированной воды, после чегоустановите стакан на прежнее место и закройте крышку, как показано нарис.1.1. Проверьте глубину погружения измерительной части термометрасопротивления.
Нижний край его должен быть ниже уровня налитой в стаканводы на 20 - 30 мм.Вставьте в отверстие крышки калориметра воронку.На аналитических весах определите массу пробирки с веществом,закрытую пробкой.На передней панели магнитной мешалки расположены красная клавиша"П" и ручка "Р" для регулировки оборотов двигателя. Нажмите на клавишу"П" Ъ с помощью ручки "Р" установите оптимальную скорость вращениямагнита. Перемешивание должно осуществляться таким образом, чтобы верхнамотки (измерительная часть) термометра находился не менее чем на 5-10мм ниже поверхности перемешиваемого раствора. Через 3-4 минутывключите тумблер "ДИАГРАММА" потенциометра КСП-4. Ручками х 10, х 1,х 0,1 магазина сопротивлений установите пишущий узел прибора в пределах75-85 делений диаграммной бумаги, если при растворении веществатемпература будет понижаться, или в пределах 15-20 делений, еслитемпература будет повышаться.
Запишите в течение 5-6 минут ход измененийтемпературыводы(исходногораствора)встаканекалориметра,обусловленный теплообменом системы со средой. По истечении указанноговыше времени вносите в воду (в исходный раствор) вещество из пробирки безостановки мешалки. Для этого выньте пробку из пробирки с солью иаккуратно высыпите её через сухую воронку в воду. Пробирку закройтепробкой и снова взвесьте на аналитических весах, и по разности определитемассу навески вещества.Послевнесениявещсствав воду(раствор)перемешиваниепродолжается не менее 10-12 минут без прекращения записи хода измененийтемпературы раствора в стакане калориметра. По истечении этого временивыключите тумблер "ДИАГРАММА" потенциометра КСП-4 и нажмитеклавишу "Г1" мешалки.
Вылейте раствор из стакана, ополосните егодистиллированной водой, обсушите фильтровальной бумагой, установитестакан на место и закройте его крышкой.Описанный выше порядок работы сохраняется при выполнении всехэкспериментов.Завершив все работы на установке, выключите все тумблеры и выньтештепсельные вилки потенциометра и мешалки из розеток.102.1.3. Определение постояннойкалориметраДля расчета теплоты растворения (или другого процесса) необходимознать так называемую постоянную калориметра К.
Эта величинапредставляет собой сумму теплоемкостей всех частей калориметра:/Г=1С к ш к (Дж/К),(1.13)где Ск - удельные теплоемкости каждой из частей калориметра(Дж/(гЮ),mk - массы отдельных частей калориметра: мешалки, стакана, воды,термометра сопротивления (г).По физическому смыслу К представляет собой количество тепла,которое требуется для нагревания калориметра на один градус.Постоянная калориметра может быть определена опытным путем. Одним изметодов определения является расчет её через теплоту растворения точнойнавески вещества с известной удельной теплотой растворения по уравнению:т.гдеЧр.В.^р.В./-(ДжЛС),(1.14)ATq p в - удельная теплота растворения вещества (Дж/г),т р в .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
