Определение теплоты растворения соли в воде - файл n1.doc

приобрести
Определение теплоты растворения соли в воде
скачать (289.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc290kb.26.08.2012 21:47скачать

n1.doc

Министерство образования и науки Украины

Приазовский государственный технический университет

Кафедра теории металлургических процессов

Епишев М.В.
Методические указания

к выполнению лабораторной работы № 3

Определение теплоты растворения соли в воде

по курсу “Физическая химия”

(для студентов металлургических специальностей)


Одобрено

методической комиссией

металлургического факуль­тета

протокол №

от “___”__________2010 г.

________Григорьева М.А.

Утверждено

на заседании

кафедры ТМП

протокол №

от “___”__________2010 г.

________Тарасюк Л.И.


Мариуполь 2010

УДК 544.351:544.332


Методические указания к лабораторной работе № 3 “Определение теплоты растворения соли в воде” по дисциплине “Физическая химия” (для студентов металлургических специальностей) / Сост. М.В. Епишев. – Мариуполь: ПГТУ, 2010. - 14 с.
Включают краткие теоретические сведения об эффектах, сопровождающих процесс растворения веществ. Содержит методические указания к экспериментальной части работы и ее расчетной части, требования к оформлению отчета, вопросы для самоконтроля и список рекомендуемой литературы.

Составитель М.В. Епишев, ст. преподаватель;

Отв. за выпуск Л.И. Тарасюк, доц.;
Цель работы: экспериментальное определение теплоты растворения соли в воде калориметрическим методом.
1.Теоретическая часть

Растворение веществ сопровождается тепловым эффектом: выделением или поглощением теплоты   в зависимости от природы вещества. При растворении в воде, например, гидроксида калия, серной кислоты наблюдается сильное разогревание раствора, т.е. выделение теплоты, а при растворении нитрата аммония   сильное охлаждение раствора, т.е. поглощение теплоты. В первом случае осуществляется экзотермический процесс
(∆H < 0), во втором - эндотермический (∆H > 0).

В результате химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем образуются соединения, которые называют сольватами (или гидратами, если растворителем является вода). Образование таких соединений роднит растворы с химическими соединениями.

Сольваты (гидраты) образуются за счет донорно-акцепторного, ион-дипольного взаимодействий, за счет водородных связей, а также дисперсионного взаимодействия (в случае растворов родственных веществ, например бензола и толуола).

Особенно склонны к гидратации (соединению с водой) ионы. Ионы присоединяют полярные молекулы воды, в результате образуются гидратированные ионы; поэтому, например, в растворе ион меди (II) голубой, в безводном сульфате меди он бесцветный.

Таким образом, растворение   не только физический, но и химический процесс. Растворы образуются путем взаимодействия частиц растворенного вещества с частицами растворителя. Ученик Д.И. Менделеева Д.П. Коновалов всегда подчеркивал, что между химическими соединениями и растворами нет границ.

Жидкие растворы занимают промежуточное положение между химическими соединениями постоянного состава и механическими смесями. Как и химические соединения, они однородны и характеризуются тепловыми явлениями, а также сокращением объема при смешивании жидкостей. С другой стороны, в отличие от химических соединений растворы не подчиня­ются закону постоянства состава. Они, как и смеси, могут быть легко разделены на составные части. Процесс растворения есть физико-химический процесс, а растворы - физико-химические системы.

Теплотой растворения называется теплота, выделяющаяся или поглощающаяся при растворении 1 моля вещества в таком количестве растворителя, что добавление 1 моля вещества практически не изменяет теплового эффекта. Так, для гидроксида калия = –55,65 кДж/моль, а для нитрата аммония
= +26,48 кДж/моль.

Теплота растворения определенного количества вещества зависит от количества взятого для растворения растворителя, иначе говоря, от концентрации образующегося раствора. При постепенном увеличении количества растворителя теплота растворения достигает некоторой величины, не изменяющейся при дальнейшем прибавлении растворителя. Эта предельная величина называется теплотой растворения при бесконечном разведении, иногда же, что хуже, просто теплотой растворения. Достигается этот предел для разных веществ при различных количествах растворителя; обыкновенно, чем больше величина теплоты растворения, тем дальше лежит предел. Так, для аммиака NH3, выделяющего при бесконечном разведении 34,6 кДж/моль, предел уже достигнут при содержании 200 моль Н2О на 1 моль NH3, для хлористого водорода НСl, выделяющего 75,0 кДж/моль, - предел лежит при образовании раствора из 1 моль HCl в
20000 моль Н2О, для серной кислоты H2SO4 при выделении
96,2 кДж/моль предел еще не достигнут при содержании 1 моль Н24 на 50000 моль Н2О.

При растворении соли в воде теплота может поглощаться или выделяться в зависимости от соотношения тепловых эффектов, связанных с разрушением кристаллической решетки и взаимодействием ионов соли с молекулами растворителя. Количество теплоты, выделяемое или поглощаемое при любом процессе, может быть рассчитано как произведение теплоемкости системы (c) на изменение температуры () при условии независимости теплоемкости системы от температуры в данном интервале температур:

. (1.1)

Теплоемкость системы определяется как сумма теплоемкостей ее частей, т.е. сумма произведений масс всех частей их на удельные теплоемкости.

Так как систему, в которой происходит химическое превращение невозможно совершенно изолировать от внешней среды, то изменение температуры, определяемые опытным путем, не соответствует истинному изменению температуры. Оно больше или меньше на некоторую величину t , т.е:

. (1.2)

Величина t является поправкой на излучение и ее числовое значение можно определить расчетным путем. В данной работе определяют значение ?t графически, учитывая поправку t.

Для определения изменения температуры в процессе проведения опыта используют метастатический термометр, или термометр Бекмана. Специальная конструкция данного термометра позволяет определять незначительные изменения температуры (3 – 5 °С) с достаточно высокой точностью (имеет цену деления 0,01 °С).
2.Методика выполнения работы

Для определения теплоты растворения пользуются простым калориметром (рис. 2.1). Он состоит из фарфорового стакана (1), крышки (2) с тремя отверстиями, в которую вставляют мешалку (3) и термометр Бекмана (4). Среднее отверстие служит для введения соли в калориметр.

На технических весах взвешивают фарфоровый стакан и указанную преподавателем соль в количестве примерно 7 г. Перед взвешиванием соль должна быть измельчена.

В фарфоровый стакан наливают мерным цилиндром
500 мл дистиллированной воды; ставят стакан в калориметр, опускают в него мешалку, калориметр закрывают крышкой и осторожно устанавливают термометр Бекмана.

Собранный прибор оставляют в покое на 10 минут, чтобы все его части приняли одинаковую температуру.


Рис. 2.1   Калориметр для определения теплоты растворения соли в воде
Приступают к измерению, отсчитывая время по секундомеру или часам с секундной стрелкой. Начальное показание термометра, записывают с точностью до 0,01 °С, считая этот момент нулевым. Включают секундомер и мешалку, вновь записывают до истечения минуты показания термометра. Такие измерения делают в течение 9 минут. На 10-ой минуте измерения не делают, а в среднее отверстие засыпают соль и продолжают перемешивание. В 11-ю минуту вновь записывают показания термометра и так поступают до 25-ой минуты включительно. После этого измерения температуры прекращают.
3. Обработка экспериментальных данных

Отработку полученных экспериментальных данных начинают построения графика изменения температуры (рис. 3.1), который служит для определения истинного значения изменения температуры (). Для этого на оси абсцисс откладывают время в минутах, а на оси ординат – температуру. При точном выполнении всех операций температура растворителя до 10-ой минуты изменяется по прямой так же, как и после полного растворения соли. Через точки равномерного изменения температуры проводят прямые линии. Расстояние между последней точкой равномерного изменения температуры воды (т. а ) и начальной точкой равномерного изменения температуры раствора (т. б) делят вдоль оси абсцисс пополам через середину проводят ординату MN. Расстояние mn дает истинное значение перепада температур во времени.


Рас.3.1   Изменение температуры раствора во времени.
Теплоемкость системы рассчитывают по формуле:

, (3.1)

где m1 – масса раствора, кг;

c1 – удельная теплоемкость раствора KCl (взять из табл. П1 Приложения), Дж/кг·К;

m2 – масса фарфорового стакана (m2 = 0,220 кг), кг;

c2 – удельная теплоемкость фарфора (c2 = 1,069·103 Дж/кг·К), Дж/кг·К;

m3 – масса мешалки (m3 = 0,0128 кг), кг;

c3 – удельная теплоемкость металла (латунь) мешалки
(c3 = 0,385·103 Дж/кг·К), Дж/кг К;

V – объем погруженной части термометра (4·10-6 м3), м3;

0,46·106 – удельная теплоемкость погружаемой части ртутного термометра, Дж/м3·К.

Массу раствора находят как сумму массы воды (V = 0,5 л) и массы растворенной соли.

Количество теплоты, выделенное или поглощенное при растворении взятой навески соли рассчитывают, используя выражение (1.1).

Теплоту растворения 1 моля соли (Дж/моль) вычисляют в соответствии с выражением (3.4):

, (3.4)

где М – молекулярная масса соли, кг/моль;
m – масса соли, взятой для растворения, кг.
4. Требования к оформлению отчета

Отчет должен содержать:

Отчет оформляется на листах формата А4 (шрифт 14 пт, 1,5 интервала) с использованием программного обеспечения MS Office, MathCAD и т.д., с использованием одностороннего варианта заполнения страницы.

Допускается и рукописный вариант оформления отчета. Используется односторонний вариант заполнения листа.
5.Вопросы для самоконтроля

  1. Какова цель лабораторной работы ?

  2. Каков порядок выполнения лабораторной работы ?

  3. Какие процессы протекают при растворении соли ?

  4. Какую величину называют теплотой растворения вещества?

  5. Как зависит теплота растворения от концентрации раствора?

  6. Почему в работе используется термометр Бекмана, а не обычный термометр?

  7. Как рассчитать теплоемкость всей системы?

  8. Как рассчитать теплоту растворения соли?



Список рекомендуемой литературы

1. Практикум по физической химии / Н.К. Воробьев и др. - М. -Л.: Химия, 1964.- с. 136-139.

2. Крестовников А. Н., Вигдорович В.М. Химическая термодинамика.- М.: Металлургия, 1973.- с. 44-47.

3. http://www.himhelp.ru/section23/section6/section39/

4. http://www.chem.msu.su/rus/teaching/general/praktika/
part2.html

приложение
Таблица П1

Удельная теплоемкость водных растворов KCl различной концентрации

Соль

Концентрация,

моль-экв/л

Уд. теплоемкость раствора соли,

( Дж/кг К ) 10-3

КCl

0,10

0,20

0,25

0,30

0,40

0,50

4,140

4,094

4,073

4,052

4,010

3,972


Таблица П2

Удельная теплоемкость некоторых материалов


Материал

Уд. теплоемкость (Дж/кг К) 10-3

Латунь

Медь

Стекло

Фарфор

0,385

0,394

0,786

1,069


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации