14 Entalpia zobojętniania, 14krzychu, Wydział


Wydział

ROLNICZY

Kierunek

BIOTECHNOLOGIA

Grupa

A3/B4

Imię i nazwisko

KRZYSZTOF ŚPIEWAK

Nr pary

9

Nr ewidencyjny

17

Prowadzący

14. Entalpia zobojętniania

Cel ćwiczenia

Zapoznanie się ze sposobem wyznaczania pojemności cieplnej kalory­metru oraz pomiaru entalpii rozpuszczania i zobojętniania.

Zasada pomiaru

Procesowi rozpuszczania krystalicznego NH4Cl lub KCl w wodzie towa­rzyszy pewien efekt cieplny (ΔH), którego miarą może być zmiana tem­peratury układu (ΔT) zachodząca w czasie tej przemiany. Znając wartość molowej entalpii rozpuszczania tych związków oraz przyjmując zamiast rze­czywistej pojemności cieplnej (C) średnią pojemność cieplną w granicach temperatur T1, T2, można z następującej zależności wyznaczyć średnią po­jemność cieplną kalorymetru:

0x01 graphic

ponieważ

0x01 graphic

więc

0x01 graphic

gdzie C - średnia pojemność cieplna kalorymetru, 0x01 graphic
- molowa entalpia rozpuszczania NH4Cl lub KCl (kJ ∙ mol-1), ml - liczba gramów substancji rozpuszczonej, m1 - masa molowa substancji rozpuszczonej (g), ΔT1 ­zmiana temperatury zachodząca w procesie rozpuszczania.

Przekształcając równanie do postaci:

0x01 graphic

można z niego obliczyć entalpię rozpuszczania dowolnej substancji (o masie molowej M2), mierząc zmianę temperatury 0x01 graphic
podczas rozpuszczania m2 gramów badanego związku w rozpuszczalniku (wodzie) o objętości takiej samej, jaka była stosowana. do wyznaczania średniej pojemności cieplnej kalorymetru (C).

Zmiana entalpii towarzysząca reakcji zobojętniania wodorotlenku sodu stężonym kwasem siarkowym (ΔHc- entalpia całkowita) jest sumą entalpii rozpuszczania kwasu siarkowego (ΔHr) i entalpii powstawania cząsteczek wody, czyli entalpii zobojętniania (ΔHz):

0x01 graphic

stąd

0x01 graphic

Ponieważ w reakcji tej tworzą się dwie cząsteczki wody, więc

0x01 graphic

Ostatecznie otrzymujemy:

0x01 graphic

)

gdzie m2 - liczba gramów kwasu siarkowego użytego do reakcji zobojęt­niania, M2 - masa molowa kwasu siarkowego (g), C - średnia pojemność cieplna kalorymetru 0x01 graphic
- molowa entalpia rozpuszczania kwasu siar­kowego (kJ ∙ mol-1) wyznaczona przez rozpusz­czenie takiej samej ilości kwasu, jakiej użyto do reakcji zobojętniania, tj. m2.

Wykonanie ćwiczenia

1. Wyznaczenie pojemności cieplnej kalorymetru (kalibrowanie kalorymetru)

a. Odważyć w naczyńku wagowym około 5 g NH4Cl lub KCl z dokładnością­ do 0,0001 g.

b. Do kalorymetru wlać 100 cm3 wody i mierzyć jej temperaturę w odstępach co 1 min w ciągu około 10 min (do czasu osiągnięcia niewielkich stałych zmian temperatury w kolejnych odczytach - okres wstępny).

c. Wsypać do kalorymetru odważoną ilość NH4Cl lub KCl i ciągle mieszając mierzyć temperaturę przez pierwsze 5 min co 0,5 min, a następnie co 1 min przez około 30 min (do momentu, gdy zmiany temperatury będą niewielkie i stałe - okres główny i końcowy).

d. Otrzymane wyniki zestawić w tabeli I.

CZAS

(MIN.)

OKRES POCZATKOWY

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

TEMP.

(ºC)

CZAS

(MIN.)

OKRES GŁÓWNY

10,5

11

11,5

12

12,5

13

13,5

14

14,5

15

TEMP.

(ºC)

CZAS

(MIN.)

OKRES KOŃCOWY

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

TEMP.

(ºC)

2. Wyznaczenie molowej entalpii rozpuszczania kwasu siarko­wego

a. Jak w punkcie l b.

b. Wprowadzić do kalorymetru 2 cm3 stężonego mierzyć zmiany temperatury jak w punkcie l c.

c. Wyniki wpisać do tabeli II.

CZAS

(MIN.)

OKRES POCZATKOWY

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

TEMP.

(ºC)

CZAS

(MIN.)

OKRES GŁÓWNY

10,5

11

11,5

12

12,5

13

13,5

14

14,5

15

TEMP.

(ºC)

CZAS

(MIN.)

OKRES KOŃCOWY

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

TEMP.

(ºC)

3. Wyznaczenie molowej entalpii zobojętniania w reakcji wo­dorotlenku sodu z kwasem siarkowym

a.. W zlewce zawierającej 100 cm3 wody rozpuścić NaOH w ilości po­trzebnej do zobojętnienia 2 cm3 stężonego H2S04. Roztwór ten oziębić do temperatury wody stosowanej w poprzednich pomiarach, tj. w punkcie lb i 2b.

b. Oziębiony roztwór NaOH przelać do kalorymetru i notować zmiany temperatury jak w punkcie lb.

c. Wprowadzić do kalorymetru 2 cm3 stężonego kwasu siarkowego i ciągle mieszając mierzyć temperaturę jak w punkcie lc.

d. Rezultaty pomiarów zebrać w tabeli III.

CZAS

(MIN.)

OKRES POCZATKOWY

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

TEMP.

(ºC)

CZAS

(MIN.)

OKRES GŁÓWNY

10,5

11

11,5

12

12,5

13

13,5

14

14,5

15

TEMP.

(ºC)

CZAS

(MIN.)

OKRES KOŃCOWY

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

TEMP.

(ºC)

Sposób przedstawienia wyników

  1. Pojemność cieplna kalorymetru

Substancja - NH4Cl (KCl)

molowa entalpia rozpuszczania0x01 graphic
- 15,99 (18,33) kJ ∙ mol-1

masa substancji - m1 =………………g

objętość wody - V= 100 cm3

zmiana temperatury - 0x01 graphic
= …………….°C

Sporządzić wykres zależności zmian temperatury układu od czasu. Wy­znaczyć metodą graficzną wartość 0x01 graphic
(patrz punkt 4.) i obliczyć pojemność cieplną kalorymetru (C.)

2. Wyznaczanie molowej entalpii rozpuszczania kwasu siarko­wego w wodzie

Sporządzić tabelę II na wzór tabeli I.

pojemność cieplna kalorymetru - C = ………………… kJ ∙ K-1

masa H2S04 (objętość 2 cm3) - m2 =………………...g

objętość wody - V = 100 cm3

zmiana temperatury - 0x01 graphic
=…………………..°C

Wykreślić wykres zmian zależności temperatury od czasu i odczytać z niego 0x01 graphic
jak w punkcie 1. oraz obliczyć molową entalpię rozpuszczania H2S04 (0x01 graphic
).

3. Wyznaczanie molowej entalpii zobojętniania

Sporządzić tabelę III na wzór tabeli I i wykres zależności temperatury od czasu - T = ƒ(t).

pojemność cieplna kalorymetru - C =………… kJ ∙ K-1

molowa entalpia rozpuszczania H2S04 - 0x01 graphic
=………… kJ ∙ mol-1

masa H2S04 (o objętości 2 cm3) - m2 = …………g

masa NaOH - mNaOH =………….g

zmiana temperatury - 0x01 graphic
=………….°C

Na podstawie zależności obliczyć molową entalpię zobojętniania mocnego kwasu (H2S04) mocną zasadą (NaOH). Wartość molowej entalpii rozpuszczania H2S04 w tym równaniu bierzemy z pomiarów wykonanych w punkcie 2.

4. Wyznaczanie ΔT

Pomiar kalorymetryczny składa się, niezależnie od rodzaju kalorymetru, z trzech okresów: początkowego AB, głównego BC i końcowego CD (ryc.).

Okres początkowy trwa od rozpoczęcia obserwacji temperatury układu kalorymetrycznego do zainicjowania badanej przemiany. Od tego momentu do uzyskania maksymalnej temperatury trwa okres główny. Po nim zaczyna się okres końcowy, który trwa przez cały czas odczytywania pomiarów po okresie głównym. Jeśli nie byłoby wymiany ciepła z otoczeniem i innych do­datkowych efektów powodujących straty ciepła (układ idealnie izolowany), to temperatura w okresie początkowym i końcowym miałaby wartość stałą, a zmiana temperatury ΔT byłaby równa różnicy między nimi. Jednak z uwagi na to, że układ traci część ciepła na tzw. promieniowanie, zmierzona. w ka­lorymetrze różnica ΔT jest mniejsza od tej, jaką układ osiągnąłby, gdyby wy­równanie temperatur nastąpiło w bar­dzo krótkim czasie.

Aby wyeliminować błąd powstały na skutek wymiany ciepła z otocze­niem kreśli się tzw. krzywą idealnego wyrównania temperatur (ryc. 108), z której w drodze ekstrapolacji otrzy­muje się ΔT przy nieskończenie szyb­kim wyrównaniu temperatur. W tym celu nanosi się na wykres zmiany temperatury­

względem czasu - otrzymując krzywą ABCD. Następnie kreśli się prostą przechodzącą przez punkty pomiarowe odpowiadające okresowi początkowemu i przedłuża się ją w stronę wzrastających wartości czasu (na prawo od punktu B - krzywa I). Analogicznie kreśli się prostą przechodzącą przez punkty odpowiadające okresowi końcowemu i ekstrapoluje się ją w stronę przeciwną (na lewo od punktu C - krzywa II). Otrzymuje się w ten sposób dwie proste pomocnicze (I i II), lekko nachylone względem osi poziomej. Przedłużenia te łączymy prostą EF prostopadłą do osi czasu w ten sposób, aby odcinki EG i FG były równe. Odcinek EF wyznaczo­ny przez oba otrzymane w ten sposób punkty E i F odpowiada wartości ΔT = T1 - T0, otrzymanej przy nieskończenie szybkim wyrównaniu tempe­ratury. Wykres należy sporządzić bardzo starannie, ponieważ tylko wówczas wyznaczona wartość ΔT będzie w przybliżeniu równa wartości żądanej.

0x01 graphic

Ryc. Krzywa zmian tempera­tury układu w zależności od czasu: AB - okres wstępny, BC - okres

główny, CD - okres końcowy [6]



Wyszukiwarka