X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Экспериментальная часть

Измерение интегральной теплоты растворения соли в воде.

Задача: Измерить интегральную теплоту растворения солей (Na₂CO₃∙10H₂O, ZnSO₄∙7H₂O, Na₂CO_3, ZnSO₄) в воде.

Посуда и оборудование:

1- калориметрический стакан;

2 - изотермическая оболочка;

3 - подставка;

4 - крышка;

5 - магнитная мешалка;

6 - термометр;

7 - лапка;

8 - штатив;

9 - пипетка для соли

Реактивы:

1- Na₂CO₃∙10H₂O;

2- Na₂CO_3;

3- ZnSO₄∙7H₂O;

4- ZnSO₄

 

Интегральная теплота растворения соли - количество теплоты, выделяющейся или поглощаемой при растворении 1 моля соли в такой массе растворителя, чтобы получился раствор определенной концентрации.

 

1.         Наполняют калориметрический стакан взвешенным количеством дистиллированной воды.

2.         Взвешивают в пробирке такую навеску тщательно измельченной соли (m_соли), чтобы концентрация раствора после растворения навески составила 1 моль соли в 400 молях воды для Na₂CO₃∙10H₂O и Na₂CO₃ и 1 моль соли в 500 молях воды для ZnSO₄∙7H₂O и ZnSO₄ . Пробирку с солью выдерживают в стакане с водой около 15 минут, чтобы соль приобрела температуру воды.

3.         Включают мешалку, погружают термометр в воду, налитую в калориметрический стакан. После установления постоянной температуры проводят 10 измерений через каждые 30 с. При одиннадцатом измерении быстро высыпают соль в воду через предварительно взвешенную воронку (по разности масс воронки после опыта и до опыта можно рассчитать массу соли, оставшейся при внесении соли в калориметр, и учесть ее при вычислении точной массы соли, растворенной в калориметрической жидкости).

4.         Наблюдают за изменением температуры, вызванным процессом растворения. После установления постоянной температуры проводят еще 10 измерений через каждые 30 с.

5.         Строят график в координатах температура - время, проводят касательные в точках перегиба и определяют изменение температуры (∆Т), вызванное растворением соли. Интегральную теплоту растворения вычисляют по формуле :

∆Н = С_к*∆Т *М/ m_соли  (1)                                       

Относительную ошибку измерения рассчитывают по формуле :

ε=|∆Н_пр - ∆Н_теор|/∆Н_теор. (2)

 

Табличные данные для интегральных теплот растворения солей, образующих кристаллогидраты, приведены в таблице 2 для температуры 25 °C. [4].

 

 

Таблица 2. Литературные данные по интегральной теплоте растворения

Вещество	Число молей H2O на 1 моль соли	-ΔHm, кДж/моль
Na2CO3	400	23,43
Na2CO3·10H2O	400	-69,04
ZnSO4	500	77,28
ZnSO4·7H2O	500	-18,87

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Экспериментальные данные и их обработка

 

Расчет постоянной калори­метрической установки С_к

Тепловой эффект с допускаемой погрешностью в несколько процентов, С_к можно вычислить суммированием теплоемкостей калориметрической жидкости и всех соприкасающихся с ней частей калориметра:

      m_(H2O)=150,00 г

С_p(H2O)=4,1796 Дж/(г*К)

m_{стакана}=111,26 г

C_{p(стакана)}=0,791 Дж/(г*К)

m_{(мешалки)}=2,03 г

C_p(меш)=0,48 Дж/(г*К)

Так как стекло и ртуть обладают близкими объемными удельными теплоемкостями 1,966 и 1,883 Дж/(см3 • К), то теплоемкость термометра вычисляют умножением погружаемого в калориметрическую жидкость объема термометра на среднюю объемную теплоемкость 1,925 Дж/(см3 • К). Погружаемый объем измеряют в мерном цилиндре. Относительная погрешность определения теплоемкости термометра составляет несколько процентов, но вклад ее в С_к незначителен.

V_терм= 1 см³

C_p(терм)= 1,925 Дж/(г*К)

С_к=723,62 Дж/К

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3. Определение теплоты растворения Na₂CO_3.

 

Исходные навески: m(Na₂CO₃)= 2,12 г ; m(H₂O)= 144г.

Таблица 3.3. Зависимость температуры от времени.

t(мин)	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5
T(⁰C)	25,1	25,1	25,1	25,1	25,1	25,1	25,1	25,1	25,1	25,1

Изменение температуры воды

t(мин)	5,0	5,5	6,0	6,5	7,0	7,5	8,0	8,5	9,0	9,5
T(⁰C)	25,8	25,8	25,8	25,8	25,8	25,8	25,8	25,7	25,7	25,7

Изменение температуры после добавления соли (Na₂CO₃)

 

∆T=25,8-25,1= 0,7 ⁰С   По формуле 1 найдем интегральную теплоту растворения: ∆Н = С_к*∆Т *М/ m_соли  

-∆H(Na₂CO₃)= 25,33 кДж/моль

По формуле 2 найдем относительную погрешность: ε=|∆Н_пр - ∆Н_теор|/∆Н_теор

Теоретические значения из работы [4].

-∆H(Na₂CO₃)_теор= 23,43 кДж/моль 

ɛ= 8,11%

 

Время

 

 

Рис.3. Графическое определение изменения температуры в ходе калориметрического опыта при измерении экзотермического эффекта.

 

 

 

3.4. Определение теплоты растворения Na₂CO₃∙10H₂O.

 

m(Na₂CO₃∙10H₂O)= 3,9  г; m(H₂O)= 144г.

Таблица 3.4. Зависимость температуры от времени.

t(мин)	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5
T(⁰C)	25,5	25,5	25,5	25,5	25,5	25,5	25,5	25,5	25,5	25,5

Изменение температуры воды

t(мин)	5,0	5,5	6,0	6,5	7,0	7,5	8,0	8,5	9,0	9,5
T(⁰C)	25,0	24,3	24,3	24,3	24,3	24,3	24,3	24,3	24,3	24,3

Изменение температуры после добавления соли (Na₂CO₃∙10H₂O)

 

∆T=-25,5+24,3=-1,2 ⁰С   По формуле 1 найдем интегральную теплоту растворения: ∆Н = С_к*∆Т *М/ m_соли  

-∆H(Na₂CO₃∙10H₂O)= -63,68 кДж/моль

По формуле 2 найдем относительную погрешность: ε=|∆Н_пр - ∆Н_теор|/∆Н_теор

Теоретические значения из работы  [4].

-∆H(Na₂CO₃∙10H₂O)_теор= -69,04 кДж/моль

ɛ= 7,76%.

 

Время

 

 

 

Рис. 4. Графическое определение изменения температуры в ходе калориметрического опыта при измерении эндотермического эффекта.

 

 

 

3.5. Определение теплоты растворения ZnSO₄.

 

m(ZnSO₄)=  2,12 г; m(H₂O)= 112,5 г.

Таблица 3.5. Зависимость температуры от времени.

t(мин)	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5
T(⁰C)	25,1	25,1	25,1	25,1	25,1	25,1	25,1	25,1	25,1	25,1

Изменение температуры воды

t(мин)	5,0	5,5	6,0	6,5	7,0	7,5	8,0	8,5	9,0	9,5
T(⁰C)	25,9	26,5	26,6	26,5	26,5	26,4	26,4	26,4	26,4	26,4

Изменение температуры после добавления соли (ZnSO₄)

 

∆T=26,4-25,1=1,3 ⁰С   По формуле 1 найдем интегральную теплоту растворения: ∆Н = С_к*∆Т *М/ m_соли  

-∆H(ZnSO₄)= 71,65 кДж/моль

По формуле 2 найдем относительную погрешность: ε=|∆Н_пр - ∆Н_теор|/∆Н_теор

Теоретические значения из работы [4].

-∆H(ZnSO₄)_теор= 77,28  кДж/моль

ɛ=7,29 %.

 

Время

 

 

Рис.5. Графическое определение изменения температуры в ходе калориметрического опыта при измерении экзотермического эффекта.

3.6. Определение теплоты растворения ZnSO₄·7H₂O.

 

m(ZnSO₄·7H₂O)= 3,59  г; m(H₂O)= 112,5 г

Таблица 3.6. Зависимость температуры от времени.

t(мин)	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5
T(⁰C)	25,2	25,2	25,2	25,2	25,2	25,2	25,2	25,2	25,2	25,2

Изменение температуры воды

t(мин)	5,0	5,5	6,0	6,5	7,0	7,5	8,0	8,5	9,0	9,5
T(⁰C)	25,0	25,0	24,9	24,9	24,9	24,9	24,9	24,9	25,0	25,0

Изменение температуры после добавления соли (ZnSO₄·7H₂O)

 

∆T= -25,2+24,9= -0,3⁰С  По формуле 1 найдем интегральную теплоту растворения: ∆Н = С_к*∆Т *М/ m_соли  

-∆H(ZnSO₄·7H₂O)= -17,39 кДж/моль

По формуле 2 найдем относительную погрешность: ε=|∆Н_пр - ∆Н_теор|/∆Н_теор

Теоретические значения из работы [4].

 -∆H(ZnSO₄·7H₂O)_теор= -18,87 кДж/моль

ɛ= 7,84 %.

Время

 

 

 

Рис. 6. Графическое определение изменения температуры в ходе калориметрического опыта при измерении эндотермического эффекта.

 

Код для цитирования: Скопировать