Ewelina Zielińska, Agnieszka Magiera

Kalorymetria

1. Ciepło reakcji

Kalorymetr jest przyrządem laboratoryjnym służącym do pomiaru ilości ciepła zaabsorbowanego lub wydzielonego przez substancję wydzielanego podczas procesów chemicznych i fizycznych. Głównym elementem kalorymetru pozwalającym na bezpieczne spalanie próbek jest specjalistyczne naczynie wykonane ze stali kwasoodpornej

nazywane bomba kalorymetryczna. Przy zachowaniu stałej objętości spala się w niej znaną ilość substancji za pomocą czystego tlenu, rejestrując jednocześnie zmiany temperatury.

W oparciu o zmierzone kalorymetrem wartości ciepła właściwego, jako funkcji temperatury, można wyliczyć funkcje termodynamiczne (entalpia, entropia, energia swobodna itp.) badanych substancji w szerokim przedziale temperatur.

Schemat budowy kalorymetru

W ćwiczeniu trzecim wykonałyśmy czynności umożliwiające nam pomiar ciepła reakcji w stałej objętości z użyciem bomby kalorymetrycznej. Skorzystałyśmy z metody opisanej w instrukcji. Poniżej zamieszczamy kolejne czynności i obliczenia (wraz ze wzorami), które wykonywałyśmy.

2. Obliczenia

Dane:

Kwas benzoesowy

nr.	t [s]	T [C]
1	30	21,94
2	60	21,94
3	90	21,94
4	120	21,94
5	150	21,94
6	180	21,94
7	210	21,94
8	240	21,95
9	270	21,95
10	300	21,95
11	330	21,98
12	360	22,15
13	390	22,3
14	420	22,36
15	450	22,55
16	480	22,7
17	510	22,86
18	540	22,97
19	570	23,08
20	600	23,18
21	630	23,27
22	660	23,35
23	690	23,44
24	720	23,51
25	750	23,58
26	780	23,63
27	810	23,68
28	840	23,73
29	870	23,77
30	900	23,8
31	930	23,82
32	960	23,84
33	990	23,86
34	1020	23,87
35	1050	23,88
36	1080	23,89
37	1110	23,89
38	1140	23,9
39	1170	23,9
40	1200	23,9
41	1230	23,91
42	1260	23,91
43	1290	23,91
44	1320	23,91
45	1350	23,91
46	1380	23,91
47	1410	23,91

Naftalen 1

nr	t [s]	T [C]
1	30	23,8
2	60	23,8
3	90	23,8
4	120	23,8
5	150	23,8
6	180	23,8
7	210	23,8
8	240	23,79
9	270	23,79
10	300	23,79
11	330	23,54
12	360	24,03
13	390	24,25
14	420	24,42
15	450	24,56
16	480	24,65
17	510	24,78
18	540	24,85
19	570	24,91
20	600	24,95
21	630	24,97
22	660	24,99
23	690	25,01
24	720	25,02
25	750	25,03
26	780	25,04
27	810	25,04
28	840	25,04
29	870	25,04
30	900	25,04
31	930	25,04
32	960	25,04
33	990	25,04
34	1020	25,04
35	1050	25,04
36	1080	25,04

Naftalen 2

nr	t [s]	T [C]
1	30	24,93
2	60	24,93
3	90	24,93
4	120	24,93
5	150	24,93
6	180	24,93
7	210	24,93
8	240	24,92
9	270	24,92
10	300	24,92
11	330	24,92
12	360	24,95
13	390	25,01
14	420	25,1
15	450	25,19
16	480	25,29
17	510	25,37
18	540	25,45
19	570	25,51
20	600	25,56
21	630	25,63
22	660	25,67
23	690	25,73
24	720	25,78
25	750	25,82
26	780	25,86
27	810	25,89
28	840	25,93
29	870	25,97
30	900	25,99
31	930	26,01
32	960	26,04
33	990	26,06
34	1020	26,09
35	1050	26,11
36	1080	26,13
37	1110	26,15
38	1140	26,17
39	1170	26,18
40	1200	26,21
41	1230	26,22
42	1260	26,24
43	1290	26,25
44	1320	26,26
45	1350	26,27
46	1380	26,28
47	1410	26,29
48	1440	26,29
49	1470	26,3
50	1500	26,3
51	1530	26,3
52	1560	26,3
53	1590	26,3
54	1620	26,3
55	1650	26,3
56	1680	26,3
57	1710	26,3
58	1740	26,3

a) dokładne określenie masy (przygotowanie próbki organicznej do reakcji)

• dla kwasu benzoesowego:

• dla pierwszej próbki naftalenu

• dla drugiej próbki naftalenu

b) określenie dokładnego przyrostu temperatury określonej masy wody ∆T (tzw. bieg termometru).

Na podstawie danych możemy obliczyć ∆T dla kwasu benzoesowego i dwóch próbek naftalenu:

• dla kwasu benzoesowego:

∆T=1,97K

• dla pierwszej próbki naftalenu

∆T=1,37K

• dla drugiej próbki naftalenu

∆T=1,24K

Wykresy dołączamy do sprawozdania (zostały wykonane na papierze milimetrowym).

c) obliczanie stałej układu kalorymetrycznego (pojemność cieplną, K) za pomocą substancji cechującej (kwasu benzoesowego).

Skorzystałyśmy ze wzoru:

gdzie:

Q_v - ciepło spalania kwasu benzoesowego (
)

m - masa spalanej substancji

∆T - przyrost temperatury w kalorymetrze

M - masa molowa substancji wzorcowej (kwas benzoesowy M=122,12 g/mol)

Po podstawieniu odpowiednich wartości otrzymałyśmy:

d) obliczanie ciepła spalania badanej substancji (naftalen)

Przekształciłyśmy wzór powyżej i otrzymałyśmy:

Oznaczenia zostały zachowane tak jak powyżej, za wyjątkiem Q_v, które oznacza ciepło spalania naftalenu.

Po wstawieniu wartości liczbowych otrzymałyśmy wyniki:

• pierwsza próbka naftalenu

• druga próbka naftalenu

Błąd względny obliczonego przez nas ciepła spalania wynosi dla:

• pierwszej próbki naftalenu

• drugiej próbki naftalenu

e) obliczanie molowej entalpii spalania naftalenu pod stałym ciśnieniem

Wiedząc, że zachodzi podana reakcja:

C₁₀H_{8 (s)} + 12O₂ = 10CO_2(g)+4H₂O_(c)

oraz, że:

i

możemy obliczyć
. Po podstawieniu do wzoru wartości otrzymujemy:

• pierwsza próbka naftalenu

• druga próbka naftalenu

f) obliczanie molowej entalpii tworzenia naftalenu z pierwiastków.

Mając do dyspozycji reakcje B, C i D, przekształciłyśmy je w taki sposób, by móc otrzymać reakcję A.

A 10C_(s) + 4H₂ --- C₁₀H_8(s) +

B C_(s) + O_2(g) --- CO_2(g) + 393,8 kJ

C H_2(g) + 0,5 O_2(g) --- H₂O_(c) + 286,0 kJ

D C₁₀H_8(s) + 12O_2(g) --- 10CO_2(g) + 4H₂O_(c)+

-5033kJ/mol

Otrzymujemy takie wartości dla próbki pierwszej i drugiej naftalenu:

g) rachunek błędu: błąd bezwzględny i względny

Korzystamy przy obliczenia ze wzoru:

Po podstawieniu otrzymujemy:

Dla naftalenu 1:

Dla naftalenu 2:

Wartość tablicowa wynosi -69,9kJ.

3. Porównanie entalpii tworzenia z wartością z literatury - wnioski

Wartości entalpii tworzenia naftalenu różnią się mocno od podanych w tablicach. Pierwsza próbka naftalenu jest dokładniejsza, druga miała mniejszą dokładność. Możliwe różnice w otrzymanych wynikach odnośnie literatury związane są z pominiętymi przez nas w obliczeniach substancjami, które wytwarzały ciepło, np. drucik wolframowy lub reakcje pośrednie.

W pierwszej próbce naftalenu, w pomiarze 11 następuje nagły spadek temperatury. Wartość pomiaru odbiega od reszty i znajduje się poza funkcją wykresu. Odchylenie to może wynikać z faktu spięcia w obwodach elektrycznych laboratorium, poprzez które to kalorymetr przestał na chwilę działać ( zatrzymał mieszadło i pomiar) co spowodowało zaburzenie wyników.

termometr

pojemnik wewnętrzny kalorymetru = bomba kalorymetryczna

mieszadło

pojemnik zewnętrzny

Warstwa izolacyjna

---