Sposób wykonania doświadczenia

W naczyniu Dewara umieszczam odmierzoną ilość wody (600 ml). W uchwycie umieszczam szklaną ampułkę ze znaną ilością kwasu siarkowego( 3,67 g) tak, aby jej dolna część zanurzona była w wodzie. Opuszczam aparaturę i uruchamiam mieszadełko, które spowoduje, że temperatura cieczy wszędzie będzie taka sama. Po zmontowaniu całego urządzenia wykonuję 15 pomiarów co 30 sekund. Po tym czasie delikatnie rozbijam ampułkę za pomocą bagietki tak, aby kwas siarkowy zmieszał się z wodą. Kolejne 15 pomiarów odczytuję również co 30 sekund. Zmiany temperatury notuję w tabeli. W drugiej części ćwiczenia przygotowuję ampułkę szklaną z odważonym Na₂S₂O₃ (4,81 g) i topię ją w naczyniu z gorącą wodą. Następnie delikatnie schładzam i tak przygotowaną ampułkę z przechłodzonym tiosiarczanem umieszczam w układzie kalorymetrycznym. Do naczynia Dewara wlewam znaną ilość wody (600ml). Odczytuję wskazania termistora co 30 sekund. Po dokonaniu 15 pomiarów rzucam do ampułki mały kryształek tiosiarczanu, aby zapoczątkować proces krzepnięcia. Odczytuje zmiany temperatury co 30 sekund (15 razy) a wyniki notuję w tabeli.

Tabele pomiarowe

Kwas siarkowy Tiosiarczan sodu

Nr	Czas (s)	Temp. (°C)
1	30	22,11
2	60	22,12
3	90	22,13
4	120	22,14
5	150	22,14
6	180	33,15
7	210	22,16
8	240	22,16
9	270	22,17
10	300	22,18
11	330	22,18
12	360	22,19
13	390	22,19
14	420	22,19
15	450	22,24
16	510	23,20
17	540	23,27
18	570	23,28
19	600	23,29
20	630	23,29
21	660	23,29
22	690	23,30
23	720	23,31
24	750	23,31
25	780	23,32
26	810	23,32
27	840	23,32
28	870	23,33
29	900	23,32
30	930	23,32
Nr	Czas (s)	Temp. (°C)
1	30	23,54
2	60	23,55
3	90	23,56
4	120	23,56
5	150	23,56
6	180	23,57
7	210	23,58
8	240	23,58
9	270	23,59
10	300	23,59
11	330	23,60
12	360	23,61
13	390	23,62
14	420	23,63
15	450	23,63
16	480	23,67
17	510	23,73
18	540	23,78
19	570	23,83
20	600	23,85
21	630	23,88
22	660	23,90
23	690	23,93
24	720	23,92
25	750	23,94
26	780	23,95
27	810	23,95
28	840	23,96
29	870	23,97
30	900	23,97

Obliczanie pojemności cieplnej kalorymetru

Wyznaczam $\mathbf{(}\mathbf{T}\mathbf{+}\sum_{}^{}{\mathbf{\vartheta}\mathbf{)}}$

T_B’ = 296,24 K

T_A’=295,20 K

$(T + \sum_{}^{}{\vartheta)} = T_{B'} - T_{A'}$= 296,24K-295,20K=0,96 K

Wyznaczam ciepło rozpuszczenia kwasu siarkowego w wodzie q_r

$$\frac{n_{\text{woda}}}{n_{\text{kwas}}}$$	20000	8000	4000	1000	600	200	100	50	20
qr	87,05	85,52	83,00	78,19	76,8	74,37	73,49	72,78	71,4

Wykres zależności $\mathbf{q}_{\mathbf{r}}\mathbf{= f}\left( \frac{\mathbf{n}_{\mathbf{\text{woda}}}}{\mathbf{n}_{\mathbf{\text{kwas}}}} \right)$

• Obliczam ilość moli wody:

18 ml --- 1 mola wody

600 ml --- x

x = 33,33 mola wody

• Obliczam liczbę moli kwasu siarkowego

• $\frac{n_{\text{wody}}}{n_{\text{kwasu}}} = \frac{33,33\text{mol}}{0,03745mol} = 890$

Na podstawie wykresu odczytuje wartość ciepła rozpuszczania kwasu q_r = 78,0 [kJ/mol] dla moich warunków.

Obliczam stałą pojemność cieplną kalorymetru

$$K = \frac{n_{\text{kwas}}q_{r}}{(T + \sum_{}^{}{\vartheta)}}$$

$$K = \frac{0,03745mol*78,0kJ/mol}{0,96K} = 3,05\ \frac{\text{kJ}}{K}$$

Obliczanie ciepła krzepnięcia tiosiarczanu

Masa Na₂S₂O₃ * 5H₂O =4,81 g

wyznaczam $\mathbf{(T +}\sum_{}^{}\mathbf{\vartheta)}$

T_B’ =296,83 K

T_A’=296,63 K

$(T + \sum_{}^{}{\vartheta)} = T_{B'} - T_{A'}$= 296,83K-296,63K= 0,2 K

Obliczam ciepło krzepnięcia tiosiarczanu sodu, korzystając z wyznaczonej pojemności cieplnej kalorymetru

$(T + \sum_{}^{}{\vartheta)}$= 0,2 K

$$K = 3,05\ \frac{\text{kJ}}{K}$$

$$n_{\text{tio}} = \frac{4,81g}{248g/mol} = 0,019\text{\ mola}$$

$$q_{\text{krz}} = \frac{K(T + \sum_{}^{}{\vartheta)}}{n_{\text{tio}}}$$

$$q_{\text{krz}} = \frac{3,05kJ/K \times 0,2K}{0,019\text{mol}} = 32,1\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$

Obliczam molowe ciepło krzepnięcia zgodnie z równaniem Kirchhoffa

$$C_{s} = 290,957\ \frac{J}{\text{molK}}$$

$$C_{c} = 376,688\ \frac{J}{\text{molK}}$$

$$q_{\text{krz}} = 32,1\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$

T₂ = 321 K

Q_K (T₂)= q_krz(T₁)+ ( C_s – C_c)( T₂-T₁)

Q_K (T₂)= 32,1+ (290,957-376,688)*10⁻³ × (321-296,64)= 30,01 $\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$

Reakcja jest egzotermiczna więc:

Q_K (T₂)=- 30,01 $\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$

Wnioski

Ciepło krzepnięcia tiosiarczanu sodu wyznaczone przeze mnie różni się w pewnym stopniu od wartości podanej w instrukcji wynoszącej -36,8kJ/mol. Różnica ta może być spowodowana przez nieidealną izolację cieplną kalorymetru od otoczenia. Możliwa jest wtedy wymiana ciepła między kalorymetrem a otoczeniem powodująca zmiany temperatury kalorymetru nawet wtedy, kiedy żaden proces w nim nie zachodzi. Mógł się do niej przyczynić również niedokładny odczyt temperatur i wartości $(T + \sum_{}^{}{\vartheta)}$ oraz zanieczyszczenia mogące wystąpić w zastosowanych substancjach.