20.10.2010
Ćwiczenia 11	Wyznaczanie entalpii tworzenia naftalenu przez pomiar ciepła spalania

Celem tego ćwiczenia jest wyznaczenie entalpii tworzenia naftalenu przez pomiar ciepła spalania.

1. Wykonanie ćwiczenia:

1. Wyznaczanie stałej kalorymetru na podstawie ciepła spalania kwasu benzoesowego ( naszej substancji wzorcowej).

1. zważyliśmy ok. 7 cm drucika oporowego i w jego środku uformowaliśmy spiralę. Spiralę umieściliśmy w komorze prasy ręcznej razem z ok. 0,7 g substancji wzorcowej (kwasu benzoesowego) i sprasowaliśmy na pastylkę,

2. pastylkę, łącznie ze spiralą, zważyliśmy na wadze analitycznej i podłączyliśmy do elektrod głowicy bomby kalorymetrycznej i przygotowaliśmy ją do pracy wraz z prowadzącym zajęcia (wlaliśmy wody destylowanej, szczelne zamknęliśmy bombę, przedmuchaliśmy i napełniliśmy tlenem, na końcu umieściliśmy w kalorymetrze),

3. Włączyliśmy kalorymetr, poczekaliśmy na ustalenie się temperatury i uruchomiliśmy proces spalania,

4. Automatycznie wykonywane zostały operacje typu: mieszanie, rejestrowanie temperatur, sygnalizowanie kolejnych cyklów

5. Zapisywaliśmy przy procesach 0 i 1 odczyty temperatury co 1 min., a przy 2 i 3 co 30 s.,

6. po zakończeniu pomiarów temperatury spisaliśmy resztę wyników, wyjęliśmy bombę z kalorymetru i prowadzący zajęcia wypuścił gaz. Po zdjęciu korpusu bomby sprawdziliśmy czy substancja uległa całkowitemu spaleniu i zważyliśmy niespaloną część drucika oporowego,

7. po przemyciu bomby wodą destylowaną i wysuszeniu przystąpiliśmy do wyznaczania ciepła spalania naftalenu, gdzie wykonywaliśmy te same czynności co przy kwasie benzoesowym, jednak zamiast niego użyliśmy naftalen.

II Opracowanie wyników:

1.Wszystkie wyniki i ich część obliczona:

Kwas benzoesowy				Naftalen
Masa około 7 cm drucika do spalenia [g]	0,0064				0,0055
Masa drutu po spaleniu [g]	0,0038				0,0007
Masa spalonego druta [g]^*	0,0026				0,0048
Masa substancji (przed uformowaniem pastylki) [g]	0,7451				0,7572
Masa pastylki z drutem [g]	0,7276				0,7631
Masa substancji w pastylce [g]	0,7212				0,7576
T0 (zmierzone przed rozpoczęciem procesu spalania i po ustabilizowaniu się temperatury) [C]	20,144				21,232
T1 [C]	20,343				21,642
T2 [C]	20,403				21,627
T3 [C]	22,417				25,305
T4 [C]	22,789				25,263
	Temperatura				Temperatura
Numer procesu	0	1	2	3	0	1	2	3
	20,149	20,320	20,303	22,814	21,595	21,642	21,627	25,304
	20,222	20,366	20,428	22,809	21,638	21,640	21,640	25,308
	20,292	20,376	21,120	22,806	21,643	21,637	22,024	25,300
	20,325	20,388	21,455	22,803	21,645	21,633	22,716	25,295
	20,343		21,710	22,798		21,630	23,320	25,290
			21,856	22,794			23,756	25,284
			22,035	22,789			24,051	25,277
			22,143				24,251	25,269
			22,230				24,403	25,265
			22,303				24,259
			22,367				24,639
			22,421				24,725
			22,470				24,804
			22,512				24,872
			22,552				24,932
			22,588				24,985
			22,620				25,033
			22,647				25,075
			22,682				25,114
			22,694				25,146
			22,714				25,177
			22,732				25,202
			22,748				25,225
			22,762				25,244
			22,772				25,258
			22,783				25,273
			22,793				25,284
			22,798				25,291
			22,804				25,298
			22,812				25,303
			22,814				25,305
			22,816				25,305
			22,818
			22,816
			22,815
n	17				15
Q	7503				11406
K	3000				3000
TMax [C]	22,818				25,308
ΔT ^**	2,365				3,739

* Schemat obliczenia: Masa spalonego druta [g] = Masa około 7 cm drucika do spalenia [g] - Masa drutu po spaleniu [g]

** ΔT obliczone na podstawie metod graficznych (rys.1 i rys.2)

2. Najważniejsze wyniki:

1. Kwas benzoesowy:

Masa drutu przed spaleniem, [g]	Masa drutu po spaleniu, [g]	Masa próbki, [g]	ΔT [K]
0,0064	0,0038	0,7212	2,365

2. Naftalen:

Masa drutu przed spaleniem, [g]	Masa drutu po spaleniu, [g]	Masa próbki, [g]	ΔT [K]
0,0055	0,0048	0,7576	3,739

3. Obliczenia:

Q = K ΔT ,

gdzie: Q - ciepło spalania[kcal/g],

K - stała kalorymetru[kcal/K],

ΔT - przyrost temperatury [K]

1. Obliczanie stałej K:

Q = Q_sp.kw. + Q_sp.dr.

gdzie: Q_sp.kw = 6,3176 kcal/g - ciepło spalania wzorca (kwas benzoesowy),

Q_sp.dr. = 1,6 kcal/g - ciepło spalania drucika,

K =
+
, [kcal/K]

Z racji tego, że nie spaliliśmy po 1g kwasu i drutu, musimy uwzględnić poprawkę na masę:

K =
m_kw. +
m_dr. , [kcal/K]

gdzie:
- ciepło spalania kwasu benzoesowego[kcal/g],

K - stała kalorymetru[kcal/K],

ΔT - przyrost temperatury[K] (wynoszący tutaj 2,674 [K])

m_kw. - masa próbki kwasu benzoesowego[g]

m_dr - masa spalonego druta [g]

K = 1,925 kcal/K

2. Obliczanie ciepła spalania naftalenu:

Q = K ΔT

Efekt cieplny Q jest równy:

Q = Q_sp.naft. + Q_sp.dr. ,

Q_sp.naft. = K ΔT - Q_sp.dr.

Z racji tego, że nie spaliliśmy po 1g naftalenu i drutu, musimy uwzględnić poprawkę na masę:

Q_sp.naft. =
-
, [kcal/g]

Q_sp.naft. = -9,489 kcal/g

Przechodzimy z [Kcal/g] na [KJ/mol] dzięki zależności:

1 kcal = 4,184 kJ

Stąd wiec:

4,184 kJ/kcal

Oraz znajomości masy molowej naftalenu równej 128,18 g/mol.

Q_sp.naft = -9,489 kcal/g * 128,18 g/mol * 4,184 kJ /mol = -5089,13 kJ /mol

3. Obliczanie entalpii tworzenia naftalenu:

Prowadzimy spalanie w stałej objętości, więc:

Q = Q_v = ΔU

gdzie: Q_v - ciepło przy stałej objętości [kJ /mol]

ΔU - zmiana energii wewnętrznej [kJ /mol]

Z prawa Hessa wynika, że:

ΔH = Q_p , p = const

gdzie: ΔH - zmiana entalpii [kJ /mol]

Q_p - ciepło przy stałym ciśnieniu [kJ /mol]

ΔU = Q_v , v = const

Pomiędzy Q_v a Q_p istnieje zależność:

Q_p= Q_v + Δn RT ,

gdzie: Δn - zmiana liczby moli substancji gazowej w czasie przebiegu reakcji(-2 mol) ,

R - stała gazowa wynoszaca 0,00831 kJ /mol*K

T - średnia temperatura przebiegu reakcji [K].

Q_p = -5094,13 kJ /mol

4. Korzystając z równania reakcji spalania naftalenu:

C₁₀H_{8 (s)} + 12 O_{2 (g)} = 10 CO₂ + 4 H₂O _(c)

Na podstawie tego równania reakcji i po przekształceniach otrzymujemy wzór na entalpię tworzenia naftalenu:

C₁₀H_{8 (s)} + 12 O_{2 (g)} = 10 CO₂ + 4 H₂O _(c) Q_p =


H_2(g) + O_{2 (g)} = H₂O _(c)
= 285,8 kJ/mol

O_{2 (g)} + C_(s) = CO₂
= -393,5 kJ/mol

10 CO₂ + 4 H₂O _(c) = C₁₀H_{8 (s)} + 12 O_{2 (g)} -Q_p= -


4H_2(g) + 2O_{2 (g)} = 4H₂O _(c) 4


10 O_{2 (g)} + 10C_(s) = 10CO₂ 10


4H_2(g)+ 10C_(s) = C₁₀H_{8 (s)}

= 10
+ 4
- Q_p


= 15,93 kJ/mol

Tablicowa wartość entalpii tworzenia naftalenu (zaczerpnięta z książki „Chemia Fizyczna” P. W. Atkins'a) wynosi 78,53 kJ/mol.

Różnica miedzy tymi wartościami wynosi: 62,69 kJ/mol

III. Część graficzna:

rys.1




rys.2




IV. Oszacowanie błędów:

Błąd wyznaczania stałej K:

K =


K₁ =



=


K₂ = 0,001759 kcal/K

K₁ = 1,927 kcal/k

Wartość K₂ jest tak mało znacząca, iż możemy ją pominąć.

ΔK = K₁ ( |
| + | -
| )

Δm = 0,0001g

ΔT = 0,001K

ΔK= 0,001 kcal/K

Względny błąd ΔK [%] = 0,06

Błąd wyznaczania ciepła spalania Q_sp. :

Q_sp. = K₁
-
= Q₁ - Q₂

Q₁ = K


Q₂ =


Q₁ = 9,499 kcal/g

Q₂ = 0,010 kcal/g

Podobnie jak z wartoscią K₂ wartość Q₂ jest mało znaczaca iż możemy ją pominąć.

ΔQ = Q₁ ( |
| + |
| + | -
| )

Δm = 0,0001g

ΔT = 0,001K

ΔQ= 0,009 kcal/g

Względny błąd ΔQ [%] = 0,10

V. Wnioski:

Wyznaczyliśmy entalpię spalania naftalenu, jednak odbiega ona bardzo od standardowej, ponieważ dokonaliśmy błędów przy ważeniu substancji i drucików, co było nieuniknione. Nie spalaliśmy substancji w warunkach standardowych.

---