Zakład Procesów Chemicznych i Biochemicznych Politechniki Wrocławskiej

Termodynamika Procesowa – Laboratorium

WYZNACZANIE CIEPŁA ROZPUSZCZANIA

Wrocław 2007

1

Wstęp

W trakcie rozpuszczania zachodzi przejście od stanu początkowego układu, tworzonego przez czyste składniki przyszłej mieszaniny, wszystkie w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem, do stanu końcowego, w którym, w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem istnieje tylko jedna faza stanowiąca roztwór. Zmiany w cząsteczkach zachodzące podczas rozpuszczania są bardzo głębokie. Rozerwaniu ulegają wiązania międzycząsteczkowe, tworzą się nowe wiązania, zarówno cząsteczkowe jak i atomowe spolaryzowane pomiędzy róŜnymi cząsteczkami substancji wyjściowych. Solwatacja jest zjawiskiem powszechnym. Istotna róŜnicą między rozpuszczaniem a reakcja chemiczna jest to, Ŝe z rozpuszczanie, nie moŜna wiązać Ŝadnych określonych stosunków stechiometrycznych. PoniewaŜ proces rozpuszczania traktujemy jako izobaryczny i izotermiczny, efekt cieplny będzie równy zmianie entalpii układu, gdyŜ jedyna pracą jest praca zmiany objętości. Ciepło rozpuszczania zaleŜy od stosunku ilości rozpuszczalnika do ilości substancji rozpuszczonej, dąŜąc do jakiejś wartości granicznej dla rozcieńczeń dąŜących do nieskończoności. Często na krzywej ciepła rozpuszczania w funkcji stęŜenia końcowego roztworu pojawia się ekstremum.

Zgodnie z powyŜszym ciepłem rozpuszczania nazywać będziemy ilości ciepła wydzielaną w czasie rozpuszczania odniesioną do jednego mola jednego ze składników zgodnie z zaleŜnością: i

∆

Q =

(1)

j

n j

Oznaczając przez Ici entalpie molową czystego składnika przed zmieszaniem, a przez Ii jego entalpie w roztworze otrzymanym izotermicznie i izobarycznie otrzymamy:

(2)

∆ i = ∑ n I

n I

n I

I

i

i − ∑

i

ci = ∑

i ( i −

ci )

a stąd, dla roztworu dwuskładnikowego otrzymamy:

nr

Q = I − I +

I − I

(3)

j

j

oj

( r or )

n j

n j

Q = I − I

+

I − I

(3a)

r

r

or

( j oj )

nr

Gdzie indeksy: j = substancja rozpuszczona, r = rozpuszczalnik.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest znalezienie ciepła rozpuszczania zdefiniowanego równaniem 3a. poniewaŜ

pomiar prowadzi się w warunkach zbliŜonych do adiabatycznych znajdujemy efekt cieplny mieszania z zaleŜności podstawowej:

2

∆ i = −(∑ m c T Q

(4)

i

pi ∆

+ str )

gdzie Qstr – ciepło strat w czasie pomiaru.

Aparatura pomiarowa

Pomiary ciepła mieszania wykonuje się przy pomocy zestawu kalorymetrycznego ZKL – 4. Zestaw ten przygotowany pierwotnie do pomiaru ciepła spalania słuŜy, po usunięciu bomby kalorymetrycznej, do pomiaru ciepła mieszania. Podstawowe elementy zestawu (rys.1) to: naczynie kalorymetryczne (1), niklowane i polerowane, umieszczone na podstawce izolacyjnej w płaszczu termostatycznym (2).

Precyzyjny termometr o podziałce 0,01oC (3) umocowany jest w uchwytach podświetlacza skali i przez dwudzielną pokrywę windurową wprowadzony do naczynia kalorymetrycznego. Do mieszania cieczy w naczyniu słuŜy mieszadło z silniczkiem elektrycznym (4). Zarówno termometr jak i mieszadło mocowane są na metalowych statywach tak skonstruowanych, by umoŜliwić łatwe wyjmowanie naczynia kalorymetrycznego. Zestaw zawiera 2 identyczne kalorymetry.

Centralną częścią zestawu stanowi pulpit sterowniczy (5), wyposaŜony w lampki kontrolne zapalające się kolejno w odstępach pięciosekundowych. Górna i dolna lampka zapalają się na przemian co 30 sekund z jednoczesnym uderzeniem gongu sygnalizującym moment odczytu temperatury.

W dolnej części pulpitu znajdują się wyłączniki: sieciowy i gongu oraz podwójne wyłączniki, po jednym dla kaŜdego kalorymetru: mieszadła mechanicznego, podświetlacza skali termometru, wibratora. Wibrator słuŜy do automatycznego, okresowego wywoływania drgań termometru w celu zapobieŜenia zahamowaniom przepływu rtęci w kapilarze termometru.

Przebieg pomiaru

NawaŜka substancji, której ciepło rozpuszczania jest przedmiotem pomiaru zamknięta jest w cienkościennej bańce szklanej i umocowana gumkami do stalowego pręta. Rodzaj substancji nie jest znany wykonującym ćwiczenie.

Dla kaŜdej nawaŜki jest podana jej masa i ilość wody, którą naleŜy napełnić naczynie kalorymetryczne. Wodę destylowaną odmierza się przez waŜenie na wadze szalkowej z dokładnością do 1g. Masa naczynka kalorymetrycznego – 1113g.

W celu wykonania pomiaru naleŜy:

1. Napełnić naczynie kalorymetryczne określoną ilością wody.

2. Ustawić, przy pomocy grzałki elektrycznej lub kostek lodu temperaturę wody w naczyniu w przedziale 17 - 19 oC, posługując się przy tym termometrem z podziałką 0,5 oC.

3. Włączyć ultratermostat i wstawić naczynie kalorymetryczne do płaszcza termostatowanego.

4. Wprowadzić do naczynia mieszadło, termometr pomiarowy oraz banieczkę z próbką.

5. Przykryć naczynie kalorymetryczne pokrywą windurową.

6. Włączyć włącznik główny, gongu, wibratora, mieszadła i podświetlacza skali odpowiedniego kalorymetru.

3

7. Delikatnymi

ruchami

stalowego

pręta

z

banieczką

mieszac wodę w naczyniu

kalorymetrycznym i notować wskazania termometru. (przez lupę) w odstępach 30

sekundowych.

8. Po ustabilizowaniu się temperatury (lub przyrostów temperatury) stłuc energicznym uderzeniem banieczkę szklaną o dno naczynia, w pobliŜu krawędzi. Operacje tą naleŜy wykonywac bardzo ostroŜnie, Ŝeby nie uszkodzić termometru. Sam moment stłuczenia powinien wypaść mniej więcej w polowie interwału między dwoma kolejnymi odczytami temperatury.

9. W dalszym ciągu mieszać roztwór w naczyniu i notować temperatury aŜ do osiągnięcia stabilizacji.

Obliczenia

Temperatura początkowa T1.

JeŜeli przed stłuczeniem banieczki wystąpiła stabilizacja temperatury (wahania ok. 0,003oC) to jako temperaturę początkową przyjmuje się średni ą z kilku ostatnich pomiarów przed stłuczeniem bańki.

Jeśli temperatura wzrastała lub malała w sposób w przybliŜeniu jednostajny, temperaturę początkową określa się przez interpolację liniową ostatnich pomiarów do momentu stłuczenia banieczki.

Temperatura końcowa T2.

Gdy wystąpiła stabilizacja temperatury lub stabilizacja przyrostów temperatury po stłuczeniu banieczki temperaturę końcową wyznacza się analogicznie do temperatury początkowej.

Określenie ilości wydzielanego ciepła.

Ilość ciepła wydzielonego w trakcie pomiaru wyznacza się z bilansu cieplnego układu:

Q = −[ W + C

+

−

(5)

px ( m

m

n

w )]( T

T

2

1 )

gdzie

W – stała kalorymetru

[J/deg]

mn – masa nawaŜki

[kg]

mw – masa wody

[kg]

( T + T

1

2 )

Cp – ciepło właściwe roztworu w jego średniej temperaturze

[J/kg deg]

2

Podczas pomiaru uŜywa się tylko lewego kalorymetru o stałej w 0.21885 [J/deg] oraz termometru o numerze fabrycznym 408/75. Jako Cp przyjmuje się ciepło właściwe wody w temperaturze pomiaru (roztwór bardzo silnie rozcieńczony). Wszystkie obliczenia powinny zostać wykonane z dokładnością co najmniej 4 cyfr znaczących.

W sprawozdaniu naleŜy podać:

• wielkość nawaŜki substancji rozpuszczonej oraz ilość wody,

• tabele odczytów wskazań termometru i w razie potrzeby wykresy interpolacyjne

temperatury

Obliczenia: wynikiem pomiaru jest podanie Qr z dokładnością do 3 cyfr znaczących. Wszystkie wielkości naleŜy podawać w jednostkach układu SI.

4

5

3

4

1

2

Rysunek 1. Schemat zestawu kalorymetrów ZKL – 4.

5