Аппаратура и методика термохимических измерений

[2, § 1–4, 7]; [3, § 194 – 202]; [4, § 61– 63]; [5, гл. XIX, § 1 – 3]; [6, § 197 – 202].

 

Определение теплоты образования кристаллогидрата

Цель работы: Определить теплоту образования кристаллогидрата из и .

Оборудование и реактивы

Калориметрическая установка, технические весы, мерный цилиндр на 500 см³, термометр с ценой деления 0.01 °С, секундомер, сушильный шкаф, фарфоровая ступка, кристаллогидрат сульфата меди, дистиллированная вода.

Общие положения

Теплотой образования кристаллогидрата называется тепловой эффект присоединения соответствующего количества воды к 1 моль безводной соли (или тепловой эффект образования 1 моль твердого кристаллогидрата из твердой безводной соли и соответствующего количества воды), например:

(1)

Теплота образования кристаллогидрата () не может быть измерена в калориметре непосредственно, т.к. данная гетерогенная реакция с участием твердой и жидкой фаз протекает довольно медленно, и непосредственное измерение теплоты образования кристаллогидрата не приводит к точному результату. Однако можно определить на основе закона Гесса по разности интегральных теплот растворения (см. теоретическое введение к работе 8) безводной соли () и кристаллогидрата (). Растворение безводного сульфата меди протекает по уравнению:

(2)

Данный процесс можно представить протекающим в две стадии (рис. 5), так как он сопровождается гидратацией безводного сульфата меди и переходом его в растворенное состояние. Первая стадия описывается уравнением (6), второй стадии отвечает следующее уравнение:

(3)

 

Рис. 5. Применение закона Гесса к расчету теплоты образования кристаллогидрата

 

По закону Гесса

,

откуда

(4)

 

Аппаратура и методика термохимических измерений

 

Экспериментальное определение тепловых эффектов проводят в специальных приборах-калориметрах. Различают два основных типа калориметров: изотермические и адиабатические. К первому типу относятся калориметры с плавящимся веществом, например со льдом или с испаряющейся жидкостью. В этих калориметрах все выделяющееся тепло идет на изменение агрегатного состояния вещества, при этом температура в калориметре сохраняется постоянной. Калориметры второго типа характеризуются изменением температуры во время опыта, причем часть тепла, подлежащего измерению, может расходоваться на теплообмен с окружающей средой, что необходимо учитывать. Конструкции калориметров разнообразны и зависят от особенностей изучаемого процесса. В настоящей работе используется простейший адиабатический калориметр, схема которого представлена на рис.1.

 

Рис. 1. Схема калориметра

Калориметр состоит из калориметрического сосуда и изолирующей системы. Калориметрический сосуд (1) представляет собой стеклянный стакан или сосуд Дьюара. Изолирующей системой служит воздушная оболочка, которая образуется другим сосудом (2) и крышкой из пластмассы или пенопласта (3). Калориметрический сосуд устанавливается на асбестовых или пластмассовых подставках (4). В крышке имеются отверстия для термометра (5), мешалки (6) и воронки для введения исследуемого вещества (7).

 

Термометр Бекмана предназначен для измерения малых изменений температуры. Он состоит (рис.2) из основного 1 и дополнительного 2 резервуаров ртути, соединенных капилляром 3. Шкала термометра 4 позволяет определять максимальное изменение температуры на 5 °С с точностью ±0,01 °С. Особенность термометра состоит в том, что при помощи сифонообразного дополнительного резервуара можно менять количество ртути в основном резервуаре и тем самым использовать термометр для измерений в широком интервале температур.

Верхний резервуар имеет шкалу, служащую для ориентировочного определения температуры, на которую настроен термометр. Перед настройкой термометра определяют, каков характер изменения температуры ожидается в предстоящем опыте (или опытах). Если известно, что температура должна понижаться, его настраивают так, чтобы ртутный мениск остановился в верхней части шкалы. В случае повышения температуры, настройку ведут на нижнюю часть шкалы. Когда знак изменения температуры неизвестен, настройку производят на середину шкалы. Так же поступают, если на одном этапе работы ожидается понижение, а на другом – повышение температуры.

Для настройки термометра его помещают в воду, имеющую температуру опыта (в данной работе - комнатную температуру). Если по истечении примерно 5 мин. выяснится, что мениск находится значительно ниже требуемого уровня, термометр переворачивают верхней частью вниз. Легким постукиванием по термометру добиваются, чтобы ртуть перетекала из большого резервуара по капилляру в запасной и соединилась с ртутью запасного резервуара. Осторожно, чтобы резким толчком не разорвать столбик ртути в капилляре, переворачивают 6 термометр в правильное положение и снова погружают его в воду с температурой предстоящего опыта. Ртуть должна перетекать из верхнего резервуара в нижний по принципу сообщающихся сосудов. Шкала верхнего резервуара приблизительно показывает, на какую температуру настроен термометр.

Рис.2. Устройство термометра Бекмана

После того как мениск ртути в верхнем резервуаре перестанет перемещаться, что наступает обычно через 5 мин., легким ударом термометра об руку разрывают столбик ртути в месте соединения капилляра с верхним резервуаром. Далее незначительно нагревают нижний резервуар, прикасаясь к нему ладонью руки. В результате нагрева в месте соединения капилляра с верхним резервуаром появляется капелька ртути. Легким постукиванием термометра об руку стряхивают эту капельку вниз. Снова помещают термометр в воду, имеющую температуру предстоящего опыта, и наблюдают за установкой мениска ртути. Если мениск ртути окажется значительно выше необходимого уровня, то часть ртути из нижнего резервуара переводят в верхний. Для этого нагревают нижний резервуар ладонью руки и появившуюся в месте соединения верхнего резервуара с капилляром капельку ртути стряхивают вниз. Если ртуть в капилляре остановится ниже нужного уровня, настройку термометра начинают с самого начала.   С термометром Бекмана следует обращаться очень осторожно (не разбить его). Нельзя оставлять термометр в ходе работы без присмотра. Настроенный термометр не должен находиться в горизонтальном положении. В нерабочие промежутки времени термометр помещают в массивный (устойчивый) сосуд с водой, имеющей температуру опыта. В процессе работы следят за тем, чтобы не нарушалась его настройка.