1. Wstęp teoretyczny:

Temperaturą przejścia nazywamy taką temperaturę, w której pierwiastek lub związek chemiczny zmienia swój stan fazowy (stan skupienia lub budowę sieci krystalicznej). Przykładami temperatur przejścia są np. topnienie, wrzenie, przemiany alotropowe i polimor-ficzne. Przemiany te zachodzą przy stałym ciśnieniu, stałej temperaturze i są zależne tylko od rodzaju badanej substancji oraz rodzaju przemiany.

W danym ćwiczeniu określamy temperaturę przejścia przy pomocy analizy termicznej, która to jest bardzo często stosowaną metodą. W metodzie tej wykorzystuje się efekt cieplny towarzyszący z reguły przemianą fazowym.

W trakcie ogrzewania substancji możemy zaobserwować wzrost jej temperatury (gdy szybkość ogrzewania, czyli szybkość doprowadzania ciepła jest wielkością stała, wówczas temperatura jest liniową funkcją czasu) aż do rozpoczęcia przemiany fazowej. Wówczas na krzywej analizy termicznej, w temperaturze przemiany, pojawia się załamanie.

Gdy badany proces jest egzotermiczny, temperatura substancji zaczyna wzrastać szybciej, niż temperatura układu ogrzewającego, wskutek wydzielania ciepła przemiany. W większości przypadków mamy do czynienia z procesami endotermicznymi, w których po osiągnięciu temperatury przejścia obserwujemy przystanek na krzywej analizy termicznej, bowiem ciepło doprowadzone do układu jest zużywane wówczas na przemianę fazową. Czasami można zaobserwować zjawisko przegrzania i przechłodzenia.

Efekt przegrzania jesteśmy w stanie zaobserwować w przypadku cieczy, która mimo osiągnięcia temperatury wrzenia, nie wrze. Przyczyną tego zjawiska jest trudność utworzenia zarodków nowej fazy tzw. baniek gazowych. Jest to bardzo niebezpieczne zjawisko, bowiem w momencie, gdy ciecz przegrzana zaczyna wrzeć, powstanie zbyt duża ilość fazy gazowej (w naczyniu zamkniętym może to doprowadzić do eksplozji, a w naczyniu otwartym do wyrzucenia gorącej cieczy z naczynia). Zjawisku temu można przeciwdziałać wprowadzając do układu sztucznie zarodki nowej fazy.

Zjawisko przechłodzenia pary jest wykorzystywane w komorze Wilsona dla ujawniania torów przebiegu naładowanych elektrycznie elementarnych cząstek materii mogących spełniać rolę zarodków skraplania. Silne przechłodzenie cieczy może doprowadzić czasem do otrzymania ciała stałego o budowie bezpostaciowej, np. szkła.

Stromy lub płaski przebieg krzywej analizy termicznej zależy tylko od szybkości ogrzewania lub chłodzenia układu, natomiast długość odcinaka przystanku na krzywej analizy termicznej zależy od rodzaju substancji (im większe ciepło przemiany tym dłuższy odcinek), szybkości ogrzewania (chłodzenia) oraz masy próbki.

2. Cel ćwiczenia:

1. Wyznaczenie metodą analizy termicznej temperatury przejścia:

Na₂SO₄ ⋅ 10H₂O Na­₂SO₄ + 10H­­₂O

2. Ustalenie związku między szybkością ogrzewania, szybkością wzrostu temperatury próbki i długością przystanku na krzywej analizy termicznej.

3. Ustalenie związku między masą próbki oraz długością przystanku na krzywej analizy termicznej.

4. Wyznaczenie metodą analizy termicznej temperatur przejścia:

ZnSO₄ ⋅ 10H₂O ZnSO₄ ⋅ 6H₂O + H­­₂O ZnSO₄ ⋅ H₂O + 6H­­₂O

5. Wyznaczenie temperatur przejścia przemian omawianych w powyższych punktach,
   na podstawie danych tabelarycznych obrazujących zależność rozpuszczalności siarczanów sodu i cynku, od temperatury.

3. Metody pomiaru:

W danym ćwiczeniu do ogrzewania substratów stosuje się łaźnię wodną, bowiem temperatury przejścia badanych substratów są niższe niż 100°C, czyli są niższe od temperatury wrzenia wody.

Na wadze aptekarskiej należy odważyć 10 g próbki (w przypadku, gdy próbka jest grubo-krystaliczna, rozcieramy ją w moździerzu), następnie trzeba umieścić ją w próbówce, w łaźni wodnej oraz włączyć układ grzewczy, ustalając natężenie prądu na około 1,45 [A].

Temperatury wody i próbki należy odczytywać w stałych interwałach czasowych, co
15 sekund.

Tę czynność należy powtórzyć dla trzech różnych prędkości grzania i trzech różnych mas badanych substancji.

Jedną z próbek należy poddać chłodzeniu i odczytywać jej temperaturę w stałych interwałach czasowych, co 5 minut.

4. Wyniki analizy termicznej hydratów:

Badana substancja: Na₂SO₄ ⋅ 10 H₂O

Naważka: m = 10 [g]

Prąd grzewczy: i = 1,45 [A]

czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]	czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]	czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]
0	22,0	20,3	195	33,0	25,1	390	43,0	31,0
15	23,0	20,5	210	34,0	26,0	405	44,0	31,2
30	24,0	20,6	225	34,0	26,9	420	44,5	31,3
45	24,5	20,7	240	35,0	27,1	435	45,0	32,0
60	25,0	20,8	255	36,0	28,0	450	46,0	32,2
75	26,0	21,8	270	37,0	29,0	465	46,5	32,5
90	27,0	22,0	285	38,0	29,1	480	47,0	32,6
105	28,0	22,2	300	38,0	30,0	495	48,0	33,1
120	29,0	22,7	315	39,0	30,1	510	49,0	33,2
135	29,5	23,0	330	40,0	30,2	525	49,5	34,3
150	30,5	23,3	345	41,0	30,3	540	50,0	35,3
165	31,0	23,8	360	42,0	30,9	555	51,0	36,5
180	32,0	24,2	375	42,0	31,0	570	52,0	37,5
						585	52,0	40,0

Temperatura przejścia wynosi 31°C

Przy pomocy programu Microsoft Excel odczytujemy tangensy kątów nachylenia stycznych do wykresów:

• dla pieca: tgα = 0,05, stąd wynika, że V⁰ = 3 [^oC/min]

• dla próbki: tgα = 0,03, stąd wynika, że V = 1,8 [^oC/min]

czas przemiany próbki wynosi 30 s

Badana substancja: Na₂SO₄ ⋅ 10 H₂O

Naważka: m = 10 [g]

Prąd grzewczy: i = 2,50 [A]

czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]	czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]	czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]
0	25,0	23,0	120	43,0	28,4	240	63,0	33,4
15	27,0	23,1	135	45,0	29,2	255	65,0	34,0
30	29,0	23,2	150	48,0	30,0	270	67,0	34,4
45	30,5	23,8	165	51,0	30,8	285	69,0	35,2
60	32,0	24,2	180	52,0	31,4	300	72,0	36,0
75	35,0	25,0	195	55,0	32,0	315	74,0	36,5
90	38,0	26,2	210	58,0	32,5	330	76,0	37,0
105	40,5	27,2	225	60,0	33,0	345	78,0	38,0
						360	80,0	40,0

Temperatura przejścia wynosi 32°C

Przy pomocy programu Microsoft Excel odczytujemy tangensy kątów nachylenia stycznych do wykresów:

• dla pieca: tgα = 0,16, stąd wynika, że V⁰ = 9,6 [^oC/min]

• dla próbki: tgα = 0,05, stąd wynika, że V = 3 [^oC/min]

czas przemiany próbki wynosi 15 s

Badana substancja: Na₂SO₄ ⋅ 10 H₂O

Naważka: m = 10 [g]

Prąd grzewczy: i = 0,73 [A]

czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]	czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]	Czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]
0	20,0	22,0	600	29,0	27,6	1200	36,5	31,8
15	20,0	22,0	615	29,0	27,8	1215	37,0	31,8
30	20,5	22,0	630	29,0	28,0	1230	37,0	31,8
45	21,0	22,0	645	29,5	28,2	1245	37,0	31,8
60	21,0	22,0	660	30,0	28,4	1260	37,0	31,8
75	21,0	22,0	675	30,0	28,6	1275	37,5	31,8
90	21,5	22,0	690	30,0	28,8	1290	37,5	31,8
105	22,0	22,0	705	30,5	29,0	1305	38,0	32,0
120	22,0	22,0	720	30,5	29,2	1320	38,0	32,0
135	22,0	22,0	735	31,0	29,4	1335	38,0	32,2
150	22,5	22,0	750	31,0	29,6	1350	38,0	32,4
165	23,0	22,2	765	31,0	29,8	1365	38,5	32,6
180	23,0	22,2	780	31,5	30,0	1380	38,5	32,2
195	23,0	22,3	795	31,5	30,2	1395	39,0	32,4
210	23,5	22,4	810	32,0	30,3	1410	39,0	32,6
225	23,5	22,6	825	32,0	30,4	1425	39,0	32,7
240	24,0	22,8	840	32,0	30,6	1440	39,0	32,8
255	24,0	23,0	855	32,5	31,0	1455	39,5	33,0
270	24,0	23,1	870	32,5	31,0	1470	39,5	33,0
285	24,5	23,3	885	33,0	31,2	1485	40,0	33,2
300	24,5	23,4	900	33,0	31,2	1500	40,0	33,4
315	25,0	23,8	915	33,0	31,2	1515	40,0	33,6
330	25,0	23,8	930	33,5	31,3	1530	40,5	33,8
345	25,0	24,1	945	33,5	31,4	1545	40,5	34,0
360	25,5	24,3	960	34,0	31,4	1560	41,0	34,4
375	26,0	24,4	975	34,0	31,4	1575	41,0	34,8
390	26,0	24,8	990	34,0	31,4	1590	41,5	35,0
405	26,0	25,0	1005	34,0	31,5	1605	41,5	35,4
420	26,5	25,2	1020	34,5	31,6	1620	42,0	35,8
435	26,5	25,4	1035	34,5	31,6	1635	42,0	36,4
450	27,0	25,6	1050	35,0	31,6	1650	42,0	36,6
465	27,0	25,8	1065	35,0	31,6	1665	42,0	37,0
480	27,0	26,0	1080	35,0	31,6	1680	42,0	37,2
495	27,5	26,2	1095	35,0	31,6	1695	42,5	37,4
510	27,5	26,4	1110	35,5	31,7	1710	42,5	37,6
525	28,0	26,6	1125	35,5	31,8	1725	42,5	38,0
540	28,0	26,8	1140	36,0	31,8	1740	43,0	38,4
555	28,0	27,0	1155	36,0	31,8	1755	43,0	38,8
570	28,5	27,2	1170	36,0	31,8	1770	43,0	39,0
585	28,5	27,4	1185	36,5	31,8	1785	43,0	39,6
						1800	43,0	40,0

Temperatura przejścia wynosi 31,8°C

Przy pomocy programu Microsoft Excel odczytujemy tangensy kątów nachylenia stycznych do wykresów:

• dla pieca: tgα = 0,01, stąd wynika, że V⁰ = 0,6 [^oC/min]

• dla próbki: tgα = 0,01, stąd wynika, że V = 0,6 [^oC/min]

czas przemiany próbki wynosi 180 s

Badana substancja: Na₂SO₄ ⋅ 10 H₂O

Naważka: m = 5 [g]

Prąd grzewczy: i = 1,45 [A]

czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]	czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]	czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]
0	22,0	22,0	165	32,0	26,2	345	43,0	32,0
15	23,0	22,2	180	33,0	27,0	360	43,5	32,0
30	24,0	22,4	195	34,0	27,8	375	44,5	32,2
45	25,0	22,7	210	35,0	28,4	390	45,0	32,4
60	26,0	23,0	225	35,5	29,4	405	45,5	33,4
75	27,0	23,3	240	36,5	30,0	420	46,0	34,0
90	27,5	23,6	255	37,5	30,6	435	47,0	34,8
105	28,0	23,9	270	38,0	31,0	450	48,0	35,4
120	29,0	24,2	285	39,0	31,4	465	49,0	36,4
135	30,0	24,8	300	40,0	31,6	480	49,5	37,2
150	31,0	25,4	315	41,0	31,8	495	50,5	39,0
			330	42,0	31,8	510	51,0	40,4

Temperatura przejścia wynosi 32°C

Przy pomocy programu Microsoft Excel odczytujemy tangensy kątów nachylenia stycznych do wykresów:

• dla pieca: tgα = 0,16, stąd wynika, że V⁰ = 9,6 [^oC/min]

• dla próbki: tgα = 0,05, stąd wynika, że V = 3 [^oC/min]

czas przemiany próbki wynosi 30 s

Badana substancja: Na₂SO₄ ⋅ 10 H₂O

Naważka: m = 20 [g]

Prąd grzewczy: i = 1,45 [A]

czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]	czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]	Czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]
0	22,0	21,8	210	34,0	26,2	420	44,0	32,0
15	23,0	22,0	225	34,5	27,0	435	45,0	32,0
30	24,0	22,0	240	35,5	27,6	450	46,0	32,0
45	25,0	22,0	255	36,0	28,0	465	46,0	32,2
60	26,0	22,2	270	37,0	28,8	480	47,0	32,4
75	27,0	22,4	285	38,0	29,2	495	48,0	32,8
90	27,5	22,8	300	38,5	29,6	510	48,5	33,2
105	28,0	23,0	315	39,0	30,0	525	49,0	33,4
120	29,0	23,4	330	40,0	30,4	540	49,5	34,0
135	30,0	23,6	345	40,0	30,8	555	50,0	34,8
150	31,0	24,2	360	41,5	31,0	570	51,0	35,6
165	31,5	24,8	375	42,0	31,4	585	52,0	37,2
180	32,0	25,2	390	43,0	31,8	600	52,5	38,0
195	33,0	25,8	405	43,5	32,0	615	53,0	39,0
						630	53,5	40,0

Temperatura przejścia wynosi 32°C

Przy pomocy programu Microsoft Excel odczytujemy tangensy kątów nachylenia stycznych do wykresów:

• dla pieca: tgα = 0,05, stąd wynika, że V⁰ = 3 [^oC/min]

• dla próbki: tgα = 0,03, stąd wynika, że V = 1,8 [^oC/min]

czas przemiany próbki wynosi 60 s

Badana substancja: ZnSO₄ ⋅ 7 H₂O

Naważka: m = 8,91 [g]

Prąd grzewczy: i = 1,45 [A]

czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]	Czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]	Czas pomiaru t[s]	temp. wody w zlewce t­­1^0 [°C]	­temp. próbki t­­2^0 [°C]
0	22,0	22,0	390	44,0	35,8	780	63,0	50,6
15	23,0	22,4	405	44,5	36,4	795	63,5	51,7
30	24,0	22,4	420	45,0	37,0	810	64,5	53,0
45	24,5	22,6	435	46,0	38,0	825	65,0	54,0
60	25,5	22,6	450	47,0	38,4	840	66,0	55,0
75	26,0	22,8	465	48,0	38,9	855	66,5	56,1
90	27,0	23,2	480	49,0	39,2	870	67,0	57,0
105	28,0	23,4	495	49,5	39,6	885	68,0	58,0
120	29,0	23,8	510	50,0	40,0	900	68,5	59,0
135	29,5	24,2	525	51,0	40,4	915	69,0	59,5
150	30,5	24,8	540	51,5	41,0	930	70,0	60,0
165	31,5	25,2	555	52,5	41,2	945	71,0	61,2
180	32,5	25,8	570	53,0	41,6	960	71,5	61,8
195	33,0	26,4	585	54,0	42,0	975	72,0	62,2
210	34,0	27,0	600	54,5	42,6	990	72,5	62,2
225	35,0	27,4	615	55,0	43,4	1005	73,0	62,2
240	35,5	28,2	630	56,0	44,2	1020	73,5	61,6
255	36,5	29,0	645	56,5	45,0	1035	74,0	61,4
270	37,5	30,0	660	57,0	46,0	1050	74,5	61,0
285	38,0	30,6	675	58,0	47,0	1065	75,0	60,9
300	39,0	31,2	690	58,5	47,5	1080	76,0	61,0
315	40,0	32,0	705	59,0	48,0	1095	76,5	61,2
330	40,5	32,6	720	60,0	48,3	1110	77,0	61,4
345	41,5	33,8	735	61,0	48,5	1125	77,5	62,0
360	42,0	34,4	750	62,0	49,0	1140	78,0	62,5
375	43,0	35,0	765	62,5	49,5	1155	78,5	63,8
						1170	79,0	65,0

Temperatura przejścia wynosi 41,2°C i 62,2°C

Przy pomocy programu Microsoft Excel odczytujemy tangensy kątów nachylenia stycznych do wykresów:

• dla pieca: tgα = 0,05, stąd wynika, że V⁰ = 3 [^oC/min]

• dla próbki: tgα = 0,04, stąd wynika, że V = 2,4 [^oC/min]

Badana substancja: Na₂SO₄ ⋅ 10 H₂O

Naważka: m = 10 [g]

czas [min]	temp.[^OC]	czas [min]	temp.[^OC]	czas [min]	temp.[^OC]
0	43,0	30	31,0	60	30,2
5	36,0	35	31,0	65	30,0
10	31,0	40	31,0	70	30,0
15	30,8	45	30,8	75	29,2
20	31,4	50	30,8	80	28,4
25	31,2	55	30,4	85	25,4

Dla próbki Na₂SO₄ ⋅ 10 H₂O o stałej naważce m = 10 g i różnych natężeniach prądu:

1. i = 0,73 [A]

2. i = 1,45 [A]

3. i = 2,50 [A]

obliczamy stosunki poszczególnych wartości:

V⁰₁ : V⁰₂ : V⁰₃ = 0,6 : 3 : 9,6 = 1 : 5 : 16

V₁ : V₂ : V₃ = 0,6 : 1,8 : 3 = 1 : 3 : 5

t₁ : t₂ : t₃ = 180 : 30 : 15 = 12 : 2 : 1 = 1 : 1/6 : 1/12

Dla próbki Na₂SO₄ ⋅ 10 H₂O o stałym natężeniu prądu i różnych naważkach:

1. m = 5 [g]

2. m = 10 [g]

3. m = 20 [g]

obliczamy przy pomocy wykresu stosunki wielkości naważek do długości odcinków poziomych na krzywych analizy termicznej:

1. stosunek wynosi: 5: 15 = 1/3

2. stosunek wynosi: 10: 30 = 1/3

3. stosunek wynosi: 20: 60 = 1/3

Przy pomocy powyższego wykresu odczytujemy temperatury przejścia dla badanych próbek:

• Na₂SO₄ ⋅ 10 H₂O = 35 ^oC

• ZnSO₄ ⋅ 7 H₂O = 55 ^oC

Temperatury otrzymane w wyniku analizy termicznej odbiegają od temperatur odczytanych z powyższego wykresu o około 5^oC.

5. Wnioski:

Temperatura przejścia określonej substancji jest wielkością stałą. Od szybkości dostarczania ciepła do układu zależy tylko stromość krzywej analizy termicznej. Na krzywej tej wielkość przystanku zależy od rodzaju substancji (im dłuższy przystanek tym większe ciepło przemiany), szybkości ogrzewania, a przede wszystkim od masy próki.

Stosunki wielkości naważek do długości odcinków poziomych na krzywych analizy termicznej są stałe dla danej substancji.

---