LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCZNEJ

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW
WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA
ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI
Opiekun:
Katarzyna Piwowar
Miejsce ćwiczenia:
Katedra Fizykochemii i Technologii Polimerów
sala nr 210
LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCZNEJ
WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI
I.
2
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest oznaczenie cząstkowego ciepła molowego rozpuszczania soli
wodzie dla dwóch wybranych stężeń M1 oraz M2.
II.
WSTĘP TEORETYCZNY (WPROWADZENIE, PODSTAWY
TEORETYCZNE)
Ciepło rozpuszczania jest to efekt cieplny towarzyszący procesowi powstawania
jednofazowej mieszaniny ciekłej dwóch lub kilku substancji. W procesie tym ulega
zniszczeniu sieć krystaliczna kosztem pobrania z otoczenia energii równej tzw. energii
sieciowej. W drugim etapie powstałe cząsteczki lub jony ulegają procesowi solwatacji,
czemu towarzyszy wydzielanie się energii zwanej energią solwatacji.
Zmianę entalpii ∆h w czasie mieszania dwóch czystych składników można
określić wzorem:
∆h = n H − H
1
1
0
1
+ n2
H −H
2
0
2
(1)
gdzie:
indeks 1 - substancja rozpuszczana
indeks 2 - rozpuszczalnik
n1 , n2
- ilość moli poszczególnych składników
H1, H2
- cząstkowa entalpia molowa składnika w mieszaninie
H10 , H 02
- entalpia molowa czystego składnika
0
Eksperymentalnie możemy wyznaczyć jedynie różnicę L1 = H1 - H1 , która nosi nazwę
cząstkowego molowego ciepła mieszania lub rozpuszczania.
Wówczas:
∆h = n L + n L
1
1
2
2
(2)
Wielkość ∆h jest wielkością, którą można wyznaczyć za pomocą pomiaru
kalorymetrycznego podczas rozpuszczania różnych ilości soli. Tak uzyskane dane
pozwalają na obliczenie wartości L1 i L2.
WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI
3
Cząstkowe molowe ciepło rozpuszczania substancji rozpuszczonej L1 jest definiowane:
 δ∆h 

L1 = 
 δn1 T , p ,n
(3)
2
Znając efekt cieplny rozpuszczania różnych ilości moli soli w jednym kilogramie
wody (wówczas n1 będzie równe molarności roztworu soli) można napisać:
 δ∆h 

L1 = 
δ
m
 1 T , p ,m2
(4)
Wartość L1 dla rozpuszczonej soli wyznacza się graficznie z wykresu ∆ h w
odniesieniu do 1 kg rozpuszczalnika (m2) jako funkcję molarności roztworu.
Współczynnik kierunkowy stycznej do krzywej ∆ h = f (m1 ) przy wybranym stężeniu m1
daje wartość cząstkowego molowego ciepła rozpuszczania. Można w ten sposób
wyznaczyć wartość cząstkowego molowego ciepła rozpuszczania przy dowolnym
składzie roztworu w zakresie badanych stężeń.
III.
WYKONANIE ĆWICZENIA
Aparatura
Naczynie kalorymetryczne, mieszadło magnetyczne, sonda temperaturowa.
Odczynniki
Sole: KNO3, KBr, NaNO3, NH4NO3.
Najpierw należy wykonać pomiar wstępny na podstawie którego można będzie
ocenić, czy efekt rozpuszczania wybranej soli jest egzotermiczny czy też
endotermiczny. Ocenić trzeba również jakiej wielkości jest efekt rozpuszczania. W tym
celu zestawiamy układ pomiarowy według rysunku nr 1.
WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI
4
pokrywa
naczynie kalorymetru
sonda termometru
obudowa kalorymetru
roztwór
termometr cyfrowy
mieszadło
mieszadło magnetyczne
Rys. 1. Schemat kalorymetru do wyznaczania ciepła rozpuszczania
Do naczynia kalorymetru wkładamy (nie wrzucamy) mieszadło i wlewamy 500 ml
wody destylowanej. Następnie przykrywamy naczynie pokrywą, do skrajnego otworu
wprowadzamy sondę termometru i uruchamiamy mieszadło magnetyczne. Przez centralny
wziernik możemy obserwować mieszadło, które podczas eksperymentu powinno pracować
bez przerwy i z jednakową szybkością. Po 10 minutach rozpoczynamy notowanie zmian
temperatury w okresach półminutowych przez 3 minuty (okres początkowy). Następnie
wprowadzamy do kalorymetru około 5 gramów badanej soli (ilość zważona z
dokładnością 0.01g), notując zmiany temperatury w okresach półminutowych (okres
główny). Gdy zaobserwujemy nieznaczne zmiany temperatury, to notujemy jej wartość
jeszcze przez kolejne 3 minuty tych samych półminutowych okresach (okres końcowy).
Dodana do kalorymetru sól musi być drobnokrystaliczna, w razie potrzeby należy ją
rozdrobnić w moździerzu.
Na podstawie zmierzonej wartości zmian temperatury w okresie głównym należy
oszacować jakiej wielkości powinna być porcja badanej substancji, którą należy
wprowadzić do roztworu w pomiarze właściwym. Wielkość naważki powinna być taka,
aby zmiana temperatury mieściła się w granicach od 0,6 do 1,0 stopnia.
Po pomiarze wstępnym należy umyć kalorymetr, wlać 500 ml wody
destylowanej i zanurzyć w niej termometr. Następnie należy uruchomić mieszadło
magnetyczne i odczekać kilkanaście minut do ustalenia się temperatury układu.
Właściwy pomiar kalorymetryczny (podobnie jak pomiar wstępny) będzie składał
się również z trzech okresów: okres początkowy (3 min.); okres główny; okres końcowy
(3 min.), w którym należy notować wartości temperatury co pół minuty.
Po dodaniu do wody pierwszej porcji soli i zanotowaniu zmian temperatury,
należy dodać do tego samego roztworu jeszcze cztery razy takie same porcje badanej
soli. W związku z tym, okres końcowy poprzedniego pomiaru będzie jednocześnie
okresem początkowym kolejnego pomiaru zmiany temperatury po dodaniu kolejnej
porcji soli.
Należy
pamiętać
aby
badana
sól
była
wprowadzona
w
postaci
drobnokrystalicznej do ciągle mieszanego roztworu.
WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI
5
IV. ZASADY BEZPIECZEŃSTWA I UTYLIZACJA ODPADÓW
UWAGA: W razie niepożądanego kontaktu z substancją niebezpieczną natychmiast
powiadomić prowadzącego zajęcia.
ODCZYNNIK
KLASYFIKACJA
ZAGROŻENIA
Ś RODKI BEZPIECZEŃSTWA
POSTĘPOWANI
E
Z
ODPADAMI
Azotan(V)
potasu
KNO3
substancja
utleniająca
(H271)
H271 Może
spowodować pożar
lub wybuch; silny
utleniacz.
P210 Przechowywać z dala od
źródeł ciepła/iskrzenia/otwartego
ognia/gorących powierzchni.
Palenie zabronione.
Umieścić w
pojemniku na
odpady z
grupy N
P220 Trzymać/Przechowywać z
dala od odzieży/materiałów
zapalnych.
P280 Stosować rękawice
ochronne/odzież ochronną
oczu/ochronę twarzy.
P370+378 W przypadku pożaru
użyć rozpylonej wody do gaszenia.
Azotan(V)
amonu
NH4NO3
substancja
utleniająca
(H271),
drażniąca
(H319, H335,
H315)
H271 Może
P210 Przechowywać z dala od
spowodować pożar
źródeł ciepła/iskrzenia/otwartego
lub wybuch; silny
ognia/gorących powierzchni.
utleniacz.
Palenie zabronione.
Umieścić w
pojemniku na
odpady z
grupy N
P280 Stosować rękawice
ochronne/odzież ochronną
oczu/ochronę twarzy.
P305+351+338 W przypadku
dostania do oczu: Ostrożnie płukać
wodą przez kilka minut. Wyjąć
soczewki kontaktowe, jeżeli są i
można je łatwo usunąć. Nadal
płukać.
P312 W przypadku złego
samopoczucia skontaktoiwać się z
ośrodkiem zatruć luz z lekarze.
P370+378 W przypadku pożaru
użyć rozpylonej wody do gaszenia.
Azotan(V)
sodu
NaNO3
substancja
utleniająca
(H272),
toksyczna
(H302, H335)
drażniąca
(H319, H315)
H272 Może
intensyfikować
pożar; utleniacz.
H319 Działa
drażniąco na
oczy.
P220 Trzymać/przechowywać z
dala od odzieży/materiałów
zapalnych.
P270 Nie jeść, nie pić i nie palić
podczas używania produktu.
P280 Stosować ochronę
oczu/ochronę twarzy.
P305+P351+P338 W przypadku
dostania się do oczu: Ostrożnie
Umieścić w
pojemniku na
odpady z
grupy N
WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI
Bromek
potasu
KBr
Substancja
drażniąca
(H319)
H319 Działa
drażniąco na
oczy
płukać wodą przez kilka minut.
Wyjąć soczewki kontaktowe,
jeżeli są i można je łatwo
usunąć. Nadal płukać.
P370+P378 W przypadku
pożaru: użyć odpowiednich
środków gaśniczych (woda) dla
materiałów będących w pobliżu
do gaszenia.
P305+P351+P338 W przypadku
dostania się do oczu: Ostrożnie
płukać wodą przez kilka minut.
Wyjąć soczewki kontaktowe,
jeżeli są i można je łatwo
usunąć. Nadal płukać.
6
Wprowadzić
do systemu
kanalizacyjne
go
V. OPRACOWANIE WYNIKÓW
Otrzymane wyniki zmian temperatury w czasie, podczas pomiaru właściwego,
należy przedstawić na wykresie, który zobrazuje zmiany temperatury po dodaniu
kolejnych porcji badanej soli, jak również pozwoli ustalić zmianę temperatury w
okresie głównym. Koniec okresu głównego przyjmujemy wówczas, gdy obserwowana
zmiana temperatury różni się mniej więcej o tą samą nieznaczną wartość w takim
samym przedziale czasu.
Nieznaczne zmiany temperatury w okresie początkowym
i końcowym związane są z wpływem otoczenia (brak idealnej osłony adiabatycznej)
jak również wpływem mieszania roztworu. Dlatego też przy ostatecznym ustaleniu
różnicy temperatury po daniu kolejnych porcji soli do roztworu należy uwzględnić
odpowiednie poprawki. Wówczas szukana różnica temperatury będzie wynosić:
∆T' = ∆T + Z v
(5)
∆t
- różnica temperatury w okresie głównym (t2 - t1)
Zν - poprawka na zmianę temperatury pod wpływem otoczenia
Zv =
t1 − t2
t −t
+ ( n − 1) 3 2
n0
n1
(6)
n0 - ilość półminutowych okresów w okresie początkowym
n - ilość półminutowych okresów w okresie głównym
n1 - ilość półminutowych okresów w okresie końcowym
t0 - pierwsza zmierzona temperatura okresu początkowego
t1 - końcowa temperatura okresu początkowego i jednocześnie początkowa temperatura
okresu głównego (zanotowana w momencie dodania porcji soli do roztworu)
t2 - końcowa temperatura okresu głównego i jednocześnie początkowa temperatura
okresu końcowego
t3 - końcowa temperatura okresu końcowego.
WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI
7
Rys. 2. Przykładowy przebieg zmian temperatury po dodaniu jednej porcji soli
Efekt cieplny rozpuszczania
obliczamy ze wzoru:
badanej substancji w
(
roztworze
)
Q = − m r c w + K ∆T
o
określonej masie
(7)
mr - masa roztworu
c
- ciepło właściwe roztworu
K
- stała kalorymetru (dla zestawionego układu: 60 [J·deg-1]
∆T - różnica temperatury obliczona ze wzoru (5).
Ciepło właściwe roztworu jest funkcją stężenia. W obliczeniach należy przyjąć,
że dla małego zakresu stężeń jest to funkcja liniowa typu:
cw = a + b ⋅ m
(8)
a, b - stałe
m
- molarność roztworu
Wyznaczenie wartości stałych a i b należy wykonać posługując się danymi z
„Poradnika Fizykochemicznego”, Wyd. NT Warszawa 1974, str. A 168. W tym celu
należy wybrać dwie wartości ciepła właściwego dla dwóch stężeń roztworów
najbardziej zbliżonych do stężeń stosowanych w przeprowadzonych eksperymentach
i ułożyć układ dwóch równań liniowych, których rozwiązanie pozwoli określić stałe
a i b.
Efekt cieplny utworzenia roztworu o danej molarności Q jest sumą efektów
cieplnych rozpuszczania poszczególnych porcji soli Qi (które w sumie prowadzą do
utworzenia roztworu o danej molarności). Zmianę entalpii ∆h rozpuszczania danej ilości
soli należy odnieść do 1 kg rozpuszczalnika: ∆h =
Q
m H 2O
.
WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI
8
Uzyskane z obliczeń dane zestawić w tabelce:
L.p.
Stęż.
molarne
soli
Różnica
temp.
Ciepło
wł.
roztworu
Efekt cieplny
rozpuszczania
danej porcji soli
m
∆T
Cw
Qi
Efekt cieplny
utworzenia
roztworu o danym
stężeniu
Q
Efekt cieplny
rozpuszczania
danej ilości soli
w 1 kg wody
∆h
1
2
3
4
5
6
Narysować wykres zależności ∆h jako funkcję molarności roztworu i na jego
podstawie obliczyć cząstkowe ciepło molowe rozpuszczania dla dwóch wybranych
wartości stężeń roztworu (m1, m2). Wykres powinien być wykonany starannie na
papierze milimetrowym formatu A4. Przeprowadzić analizę błędów.
I.
1.
2.
3.
4.
II.
1.
2.
3.
4.
PYTANIA KONTROLNE
Jak definiujemy ciepło rozpuszczania?
Co nazywamy cząstkową molową entalpią rozpuszczania?
Omówić efekty cieplne towarzyszące procesowi rozpuszczania?
Jakie stosuje się metody wyznaczenia cząstkowych wielkości molowych?
LITERATURA
Praca zbiorowa, Chemia fizyczna, PWN 1980, str. 901-903.
L. Sobczyk, A. Kisza, Eksperymentalna chemia fizyczna, PWN 1982 str. 215-224.
P. W. Kisielewa, Zbiór zadań rachunkowych z chemii fizycznej, PWN 1970.
J. Izydorczyk, J. Salwiński, Skrypt uczelniany nr 1700, Zbiór zadań obliczeniowych
z chemii fizycznej, cz. III, Gliwice 1992, str.32-37.
Wersja z dnia 15.09.2015