Grupa |
Zespół |
Ćwiczenie |
Data |
Ocena |
22
|
7
|
1
|
11.04.2000
|
|
Imię i nazwisko |
Temat ćwiczenia |
|||
A. Stanisławczyk R. Nawrocka A. Gołębiowska
|
KALORYMETRIA |
1.Wstęp teoretyczny:
Ciepłem neutralizcji - nazywamy efekt cieplny procesu , w którym 1 mol jonów H+ reaguje z 1 molem jonów OH- w roztworze o stałym stężeniu . Ciepło neutralizacji mocnych kwasów za pomocą mocnych zasad jest praktycznie niezależne od rodzaju kwasu i zasady i w temperaturze 25 C wynosi 55,81 kJ/mol.
Prawo Hessa : Ciepło reakcji zależy jedynie od stanu początkowego i końcowego .
1.Ciepło reakcji w stałej objętości : ∆ U= QV= U2- U1
2.Ciepło reakcji pod stałym ciśnieniem : ∆ H=QP= H2- H1
Kalorymetry to urządzenia zawierające płaszcz izolacyjny , naczynie kalorymetryczne , mieszadło , dokładny czujnik temperatury i inne elementy specyficzne dla danej reakcji ,której efekt cieplny jest mierzony.
Kalorymetry mogą być izotermiczne (w których mierzy się ilość ciepła , którą należy odprowadzić (doprowadzić ) do kalorymetru , tak aby zachować jego stałą temperaturę ) oraz nieizotermiczne , gdzie mierzy się zmiany temperatury kalorymetru związane przebiegiem badanego procesu i wymianą ciepła z otoczeniem .
Zmianie temperatury kalorymetru o ∆T towarzyszy wydzielanie lub pobranie ciepła :
Q=(∑ mici )∆T=K*∆T
, gdzie mi - masy poszczególnych elementów kalorymetru
ci - ich ciepła właściwe
K - całkowita pojemność cieplna kalorymetru łącznie z pojemnością cieplną badanych substancji.
Pojemność cieplna kalorymetru bez substancji badanych to tzw. Ww - wartość wodna.
Ze względu na niedoskonałość izolacji cieplnej kalorymetru pewna część ciepła Q wydzielonego w kalorymetrze w wyniku przebiegu badanego procesu , zostanie wymieniona z otoczeniem . Ilość ta jest najmniejsza , gdy temperatura kalorymetru , łącznie z badanymi substancjami , jest doprowadzona przed pomiarem możliwie jak najbliżej temperatury otoczenia .
Do wyznaczenia stałej kalorymetru oblicza się efekt cieplny procesu neutralizacji silnej zasady silnym kwasem . Do roztworu HNO3 wprowadza się roztwór KOH i w wyniku neutralizacji otrzymuje się roztwór azotanu potasu KNO3 :
H+ + NO3- + K+ +OH- =H2O + K+ +NO3-
Obserwowany efekt cieplny pochodzi nie tylko z samej reakcji zobojętniania , ale także od procesu przeniesienia jonów z roztworu kwasu i zasady do roztworu soli . Są to procesy rozcieńczania .
2. Cel ćwiczenia :
Celem ćwiczenia było wyznaczenie stałej kalorymetru na podstawie pomiaru ciepła zobojętniania HNO3 za pomocą KOH .
3. Zadane parametry :
500 cm3 1,1 mol roztworu HNO3 (38,17 cm3 65% roztworu HNO3 rozcieńczone wodą do objętości 500 cm3 )
27, 9163 g KOH
1750 cm3 H2O w naczyniu kalorymetrycznym
4. Sposób wykonania ćwiczenia :
Do naczynia kalorymetrycznego wlano 1750 cm3 wody destylowanej o temperaturze. Naczynie to wraz z wodą przeniesiono do płaszcza kalorymetru i ustawiono na znajdującej się na dnie podstawce izolacyjnej .
Zlewkę napełniono 500 cm3 1,1 mol roztworu HNO3 (uzyskanego przez dodanie 38,17 cm3 65% roztworu HNO3 do ok. 462 cm3 wody i umieszczono w naczyniu kalorymetrycznym .
Bańkę szklaną napełniono 27,9163g KOH w stanie stałym i umieszczono w zlewce tuż nad jej dnem . Następnie do naczynia kalorymetrycznego ostrożnie wprowadzono mieszadło mechaniczne i czujnik temperatury tak , aby żadne z urządzeń nie dotykało zlewki . Kalorymetr nakryto dwiema połówkami pokrywy winidurowej . Załączono główny włącznik sieciowy , włącznik mieszadła mechanicznego i wibrator oraz omomierz (Digital Multimetr ) .
Pomiar kalorymetryczny składał się z trzech okresów :
początkowego - który trwał od rozpoczęcia odczytu do momentu rozbicia bańki szklanej (10 pomiarów oporu co 1min.)
głównego - który trwał od momentu rozbicia bańki szklanej do czasu stabilizacji oporu (pomiary co 30 sekund )
końcowego - który trwał od stabilizacji (10 pomiarów co 1 min. ) .
Po zakończeniu pomiarów wyłączono urządzenia , zabezpieczono czujnik tmperatury i mieszadło , opróżniono naczynie kalorymetryczne .
Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli .
5. Wyniki pomiarów :
T= 82,034 - 53,0621*lgR
Czas [min] |
T [deg ] |
R (Ω) |
0 |
19,62824561 |
15 |
1 |
19,64361376 |
14,99 |
2 |
19,65899216 |
14,98 |
3 |
19,67438083 |
14,97 |
4 |
19,68977978 |
14,96 |
5 |
19,70518904 |
14,95 |
6 |
19,7206086 |
14,94 |
7 |
19,73603848 |
14,93 |
8 |
19,75147871 |
14,92 |
9 |
19,76692928 |
14,91 |
10 |
19,78239023 |
14,9 |
11 |
19,73603848 |
14,93 |
11,5 |
19,76692928 |
14,91 |
12 |
19,79786155 |
14,89 |
12,5 |
19,90645262 |
14,82 |
13 |
19,98433216 |
14,77 |
13,5 |
20,07813636 |
14,71 |
14 |
20,15659927 |
14,66 |
14,5 |
20,25110877 |
14,6 |
15 |
20,34600746 |
14,54 |
15,5 |
20,40949107 |
14,5 |
16 |
20,44129857 |
14,48 |
16,5 |
20,4890923 |
14,45 |
17 |
20,52100994 |
14,43 |
17,5 |
20,60099799 |
14,38 |
18 |
20,63307111 |
14,36 |
18,5 |
20,66518893 |
14,34 |
19 |
20,69735158 |
14,32 |
19,5 |
20,71344975 |
14,31 |
20 |
20,74567988 |
14,29 |
20,5 |
20,76181186 |
14,28 |
21 |
20,77795514 |
14,27 |
21,5 |
20,81027567 |
14,25 |
22 |
20,82645295 |
14,24 |
22,5 |
20,84264159 |
14,23 |
23 |
20,85884162 |
14,22 |
23,5 |
20,87505304 |
14,21 |
24 |
20,89127587 |
14,2 |
24,5 |
20,90751013 |
14,19 |
25 |
20,92375584 |
14,18 |
25,5 |
20,92375584 |
14,18 |
26 |
20,94001301 |
14,17 |
26,5 |
20,95628165 |
14,16 |
27 |
20,97256179 |
14,15 |
27,5 |
20,97256179 |
14,15 |
28 |
20,98885344 |
14,14 |
29 |
21,00515661 |
14,13 |
30 |
21,02147132 |
14,12 |
31 |
21,0377976 |
14,11 |
32 |
21,05413544 |
14,1 |
33 |
21,07048488 |
14,09 |
34 |
21,08684593 |
14,08 |
35 |
21,1032186 |
14,07 |
36 |
21,1032186 |
14,07 |
37 |
21,11960291 |
14,06 |
38 |
21,13599888 |
14,05 |
39 |
21,13599888 |
14,05 |
40 |
21,15240653 |
14,04 |
41 |
21,16882586 |
14,03 |
42 |
21,16882586 |
14,03 |
43 |
21,1852569 |
14,02 |
44 |
21,20169967 |
14,01 |
45 |
21,21815417 |
14 |
46 |
21,23462043 |
13,99 |
47 |
21,23462043 |
13,99 |
48 |
21,25109847 |
13,98 |
49 |
21,25109847 |
13,98 |
50 |
21,25109847 |
13,98 |
51 |
21,25109847 |
13,98 |
Obliczenia :
Substancja |
Ilość |
Gęstość g/cm3 |
nH2O/1n sub |
∆Htw kJ/mol |
∆Hroz(dośw) kJ/mol |
∆Hroz(dosk) kJ/mol |
HNO3 |
500cm3 1,1 mol/l |
1,035 |
48,76 |
-173,22 |
-31,27 |
-31,52 |
KOH |
0,49mol |
- |
- |
-435,89 |
- |
- |
KNO3 |
0,49mol |
- |
53,8 |
-492,71 |
34,19 |
42,3 |
H2O |
26,82mol |
- |
- |
-285,84 |
- |
- |
KOH+HNO3 =KNO3+H2O
Ilość moli HNO3 : 1000cm3 - 1.1 mol
500cm3 - X X=0.55 mol (0.051 mol nadmiaru )
mHNO3=n*M=0.55*63=34,65g
mr-uHNO3=d*V=1.035*500=517,5g
mH2O=mr-uHNO3-mHNO3=482,8g
nH2O=482,8/18=26,82mol
nH2O/1molHNO3=26,82/0,55=48,76
nH2O/1molKNO3=26,82/0,49=53,80
Zmiana entalpii reakcji zobojętniania w odniesieniu do skończonego, doświadczalnego rozcieńczania :
KOH+HNO3 = KNO3+H2O = KNO3+H2O
∆H1=∆HtwKNO3 + ∆HtwH2O - ∆HtwKOH - ∆HtwHNO3
∆HtwHNO3= ∆HrozpHNO3 + ∆HtwHNO3
∆HtwHNO3= -31,27-173,22=-204,49kJ/mol
∆H1=-492,7-285,84+435,89+204,49=138,17kJ/mol
∆H2=∆HrozKNO3=34,19kJ/mol
∆Hzob=∆H1+∆H2
∆Hzob=-138,17+34,19=-103,98kJ/mol
∆Hzob(0,49molKOH)=0,49*(-103,98)=-50,95kJ/mol
Zmiana entalpii reakcji zobojętniania w odniesieniu do rozcieńczania doskonałego :
KOH+HNO3 = KNO3+H2O = KNO3+H2O
∆H1=∆HtwKNO3 + ∆HtwH2O - ∆HtwKOH - ∆HtwHNO3
∆HtwHNO3= ∆HrozpHNO3 + ∆HtwHNO3
∆HtwHNO3= -31,52-173,22=-204,74kJ/mol
∆H1=-492,7-285,84+435,89+204,74=137,92kJ/mol
∆H2=∆HrozKNO3=42,3kJ/mol
∆Hzob=∆H1+∆H2
∆Hzob=-137,92+42,3=-95,62kJ/mol
∆Hzob(0,49molKOH)=0,49*(-95,62)=-46,85kJ/mol
∆T(z wykresu)=1,47K
Stała kalorymetru :
Doświadczalna Cdośw=∆Hzob/∆T=50,95/1,47=34,65kJ/K
Doskonała Cdosk=∆Hzob/∆T=46,85/1,47=31,87kJ/K
Błąd względny : Cdosk-Cdośw=2.77
Błąd bezwzględny: (Cdosk-Cdośw)/Cdosk*100%=8.7%
6. Dyskusja wyników , wnioski :
Mierzony opór jest odwrotnie proporcjonalny do temperatury ( gdy opór maleje , temperatura rośnie). Temperatura zaczyna gwałtownie wzrastać po rozbiciu szklanej bańki z KOH , czyli w trakcie drugiego okresu . Wzrost temperatury jest spowodowany tym, że reakcja jest egzotermiczna (w trakcie jej przebiegu wydziela się ciepło ).
Wyznaczone doświadczalnie ciepło neutralizacji kwasu azotowego zasadą potasową różni się nieco od ciepła teoretycznego ze względu na niedoskonałość izolacji cieplnej kalorymetru ( część ciepła jest wymieniana z otoczeniem).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
5