3

numer studenta

DOROTA BARTCZAK

^{imię i nazwisko}

nr indeksu 116201

Wydział BIOTECHNOLOGII I NAUK O ŻYWIENIU

Semestr TRZECI

Rok akademicki 2003/2004

Laboratorium chemii fizycznej

Ćwiczenie nr 13

Wyznaczanie ciepła krzepnięcia.

^{Tytuł ćwiczenia}

ocena z kolokwium___________

ocena ze sprawozdania________

-1-

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

I POJĘCIA PODSTAWOWE.

1. Energia wewnętrzna - to część energii układu zależna od jego stanu wewnętrznego.

Składają się na nią wszystkie oddziaływania wewnątrz i międzycząsteczkowe.

2. Ciepło - to część energii, która przepływa z jednego ciała do drugiego na skutek istnienia

różnic temperatur.

II I ZASADA TERMODTNAMIKI.

W układzie odizolowanym całkowita ilość energii pozostaje stała, mogą natomiast

przechodzić jeden w drugi rodzaje energii.

ΔU = q + W,

gdzie:

ΔU - zmiana energii układu,

q - ciepło,

W - praca.

III PRAWO HESSA.

W procesie izochorycznym lub izobarycznym, w którym nie występuje praca nieobjętościowa, efekty cieplne, odpowiednio ΔU lub ΔH (zmiana entalpii), nie zalezą od drogi przemiany, a tylko od jej stanu początkowego i końcowego.

IV PRAWO KIRHCHOFFA.

Zmiana efektu cieplnego ( ΔH lub ΔU ) reakcji związana za zmianą temperatury wyraża się różnicą sumarycznej pojemności cieplnej ( odpowiednio c_p lub c_v ) produktów i substratów tej reakcji.

ΔH_T = ΔH^o +

V TERMISTORY.

Termistory - to specyficzne rezystory, których oporność elektryczna zmienia się wraz z temperaturą. Zależność rezystancji od temperatury ma charakter wykładniczy. Aby obliczyć temperaturę termistora korzysta się ze wzoru:

T =

-2-

gdzie:

B - stała materiałowa [deg],

R_T - rezystancja termistora w temperaturze T [kΩ],

R₂₅ - rezystancja termistora w temperaturze 25 ^oC [kΩ].

VI POMIAR KALORYMETRYCZNY.

Ilość ciepła wydzielonego (względnie pochłoniętego) w kalorymetrze przez 1 mol reagenta obliczamy ze wzoru:

Q =
,

gdzie:

K - pojemność cieplna układu kalorymetrycznego,

Δt - zmiana temperatury układu kalorymetrycznego,

Συ -poprawka uwzględniająca wymianę ciepła z otoczeniem podczas pomiaru,

m - odważka substratu wziętego w nadmiarze stechiometrycznym,

M - masa molowa tego substratu.

Jeżeli w kalorymetrze zachodzi jednocześnie kilka procesów o różnych efektach cieplnych to oznaczona wielkość jest ich sumą:

Q = q₁ + q₂ + q₃ + ... + q_n

CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

I CEL I METODA ĆWICZENIA.

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie efektu cieplnego krzepnięcia tiosiarczanu sodu, wyznaczając najpierw pojemność cieplną układu, mając dane molowe ciepło rozpuszczania kwasu siarkowego (VI) w wodzie.

II SPRZĘT UŻYTY W ĆWICZENIU.

1. Kalorymetr.

2. Termistor.

3. Ampułka z kwasem siarkowym.

4. Ampułka ze stopionym tiosiarczanem sodu.

-3-

III TABELE Z WYNIKAMI WARTOŚCI MIERZONYCH.

1. Wyznaczanie pojemności cieplnej układu kalorymetrycznego (pomiary podczas

rozpuszczania kwasu siarkowego H₂SO₄).

Oznaczenia:

m_kw. - masa kwasu H₂SO₄ znajdującego się w ampułce [g],

R - rezystancja odczytana z termistora [kΩ],

t - czas [min],

M_kw. - masa molowa kwasu H₂SO₄ [g/mol].

m_kw. = 6,38 g

M_kw. = 98 g/mol

a) Faza początkowa.

Lp	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
R [kΩ]	39,80	39,80	39,80	39,80	39,80	39,80	39,80	39,80	39,80	39,80
t [min]	0,0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5

b) Rozpuszczanie się kwasu H₂SO₄ w wodzie (zbicie ampułki pomiędzy 10, a 11

punktem).

Lp	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
R [kΩ]	39,60	32,70	33,25	34,40	34,95	35,46	36,21	36,78	37,24	37,60
t [min]	5,0	5,5	6,0	6,5	7,0	7,5	8,0	8,5	9,0	9,5

c) Stabilizowanie się temperatury w kalorymetrze - faza końcowa.

Lp	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
R [kΩ]	37,87	38,21	38,58	38,94	39,30	39,75	41,20	41,20	41,20	41,20
t [min]	10,0	10,5	11,0	11,5	12,0	12,5	13,0	13,5	14,0	14,5

2. Wyznaczanie ciepła krzepnięcia roztopionego tiosiarczanu sodu Na₂S₂O₄.

Oznaczenia:

m_ts. - masa tiosiarczanu sodu Na₂S₂O₄ znajdującego się w ampułce [g],

R - rezystancja odczytana z termistora [kΩ],

t - czas [min],

M_ts. - masa molowa tiosiarczanu sodu Na₂S₂O₄ [g/mol].

m_ts. = 2,54 g

M_ts. = 248,18 g/mol

-4-

a) Faza początkowa.

Lp	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
R [kΩ]	40,07	41,20	41,60	41,80	41,90	42,00	42,00	42,10	42,30	42,40
t [min]	0,0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5

b) Krzepnięcie tiosiarczanu sodu w wodzie (wrzucenie kryształka pomiędzy 10, a 11

punktem).

Lp	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
R [kΩ]	42,40	42,40	42,50	42,50	42,50	42,50	42,60	42,60	42,60	42,70
t [min]	5,0	5,5	6,0	6,5	7,0	7,5	8,0	8,5	9,0	9,5

c) Stabilizowanie się temperatury w kalorymetrze - faza końcowa.

Lp	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
R [kΩ]	42,70	42,60	42,60	42,60	42,50	42,50	42,40	42,40	42,40	42,30
t [min]	10,0	10,5	11,0	11,5	12,0	12,5	13,0	13,5	14,0	14,5

IV WYKRESY ZALEŻNOŚCI REZYSTANCJI OD CZASU.

.

1. Wykres 1 - Wyznaczanie pojemności cieplnej układu kalorymetrycznego (pomiary

podczas rozpuszczania kwasu siarkowego VI), str. 6.

Oznaczenia:

A - koniec okresu początkowego,

B - początek reakcji,

C - początek okresu końcowego,

Δt + Συ - zmiana temperatury i poprawka na promieniowanie.

Uwagi:

Przy wyznaczaniu Δt + Συ biorę pod uwagę początek reakcji B i początek okresu

końcowego C.

2. Wykres 2 - Oznaczanie ciepła krzepnięcia tiosiarczanu sodu, str. 7.

Oznaczenia:

A - początek krzepnięcia,

B - koniec krzepnięcia (10 pomiarów),

Δt + Συ - zmiana temperatury i poprawka na promieniowanie.

Uwagi:

Przy wyznaczaniu Δt + Συ biorę pod uwagę początek procesu A i jego koniec B. Proces ten

powinien rozpocząć się po 10 pomiarach (po wrzuceniu kryształka), ale rozpoczął się

praktycznie od razu (woda w kalorymetrze była zbyt zimna).

-5-

V OBLICZENIA.

1. Wyznaczanie pojemności cieplnej układu kalorymetrycznego.

Korzystam ze wzoru:

K =
,

gdzie:

K - pojemność cieplna układu,

Q - efekt cieplny rozpuszczania odczytany z danych w instrukcji,

m_kw. - masa kwasu,

M_kw. - masa molowa kwasu.

Δt + Συ - zmiana temperatury i poprawka na promieniowanie, którą obliczam ze wzoru:

Δt + Συ =
,

gdzie:

B - stała materiałowa [deg],

R_T - rezystancja termistora w temperaturze T [kΩ] odczytana z wykresu 1 str. 6,

R₂₅ - rezystancja termistora w temperaturze 25 ^oC [kΩ].

Dane do obliczeń;

Q = 76,38 kJ/mol,

m_kw. = 6,38 g,

M_kw. = 98 g/mol,

B = 3814 deg,

R₂₅ = 14,29 kΩ,

R_T = 4,3 kΩ.

Wstawiam do wzorów:

Δt + Συ =
= 55,9 K

K =
=0,09 kJ/K

2. Oznaczanie ciepła krzepnięcia tiosiarczanu sodu.

Korzystam ze wzorów:

Q =
,

gdzie:

K - pojemność cieplna układu kalorymetrycznego,

m_ts -masa tiosiarczanu,

M_ts - masa molowa tiosiarczanu,

Δt + Συ - zmiana temperatury i poprawka na promieniowanie.

Q_K = Q + ( C_s - C_c) (321 K - T pomiaru) M,

-8-

gdzie:

Cs - ciepło właściwe tiosiarczanu stałego,

Cc - ciepło właściwe tiosiarczanu ciekłego,

M - masa molowa tiosiarczanu

Dane do obliczeń;

m_ts. = 2,35 g,

M_ts. = 248,18 g/mol,

B = 3814 deg,

R₂₅ = 14,29 kΩ,

R_T = 2,4 kΩ.

C_s = 1,8415 kJ/kg · deg

C_c = 2,3815 kJ/kg · deg

Wstawiam do wzorów:

Δt + Συ =
= 70,49 K

Q =
= 669,99 kJ/mol

Q_K = 669,99 + ( 1,8415 - 2,3841) (321 - 316,42) 248,18 = 53,25 kJ/mol

VI WNIOSKI.

Ciepło krzepnięcia tiosiarczanu sodu obliczone z ćwiczenia:

Q_K = 53,25 kJ/mol

Wartość ciepła krzepnięcia tiosiarczanu sodu odczytana z tablic:

Q_K = 47,42 kJ/mol.

Błędy w wyniku mogą być spowodowane głównie tym, że temperatura wody w naczyniu pomiarowym była zbyt niska i proces krzepnięcia rozpoczął się praktycznie od razu po zanurzeniu w wodzie ampułki (w chwili wrzucenia kryształka tiosiarczan już dawno był w stanie stałym), przez co nie udało się poprawnie odczytać zmian rezystancji. Błąd mogło zwiększyć również niedokładność w graficznym wyznaczaniu Δt + Συ.

-9-

---