Теоретические пояснения

Калориметрические измерения: определение водяного числа калориметра и удельной интегральной теплоты растворения соли

Цель: ознакомление с калориметрическим методом определения тепловых эффектов физико-химических процессов, определение водяного числа калориметра (суммарной теплоемкости калориметрической системы) и удельной интегральной теплоты растворения соли.

Оборудование и реактивы: калориметрическая система (рисунок 1), секундомер, мерный цилиндр, ртутный термометр, соли: KCl; Na₂SO₄ или другие по указанию преподавателя.

Теоретические пояснения

Калори́метр (от латинского calor — тепло) — прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе.

Путем калориметрических измерений можно получить экспериментальные данные по теплоемкостям веществ и тепловым эффектам различных процессов. Величина и знак теплового эффекта ΔН определяется по изменению температуры калориметра.

Можно выделить два основных типа калориметров: приборы с постоянной и переменной температурой. В наших опытах используется второй тип. В ходе опыта температура системы изменяется, причем не только за счет протекания изучаемого процесса, но и частично за счет теплообмена с окружающей средой. Теплообмен в студенческих опытах стараются минимизировать, однако полностью устранить его не удается.

Теплообмен искажает истинные результаты опыта, поэтому он должен быть учтен. В настоящей работе это предлагается сделать графическим методом, который рассматривается в разделе, касающемся обработки результатов опыта.

В основе определения тепловых эффектов калориметрическим методом лежит уравнение (1).

, (1)

где - общий тепловой эффект проводимого в калориметре процесса в изобарных условиях (энтальпия процесса);

- изменение температуры в результате процесса;

- суммарная теплоемкость калориметрической системы (водяное число).

Водяное число, называемое также постоянной калориметра, соответствует тому количеству теплоты, которое необходимо для изменения температуры системы на 1 градус.

Удельный тепловой эффект процесса, отнесенный к 1 г вещества, измеряется в Дж/г и рассчитывается по формуле

(2)

Водяное число можно рассчитать по формуле:

, (3)

где m_i – массы веществ, калориметра и вспомогательных устройств (мешалка, термометр, пробирка);

С_i – их удельные теплоемкости.

При обычных температурах для большинства твердых веществ истинные теплоемкости мало зависят от температуры, а удельные теплоемкости разбавленных водных растворов неорганических солей практически одинаковы (4,1 Дж/г·град).

,

где G – масса воды;

m – масса соли;

С – удельная теплоемкость раствора;

- теплоемкость калориметра и вспомогательных устройств.

Если для серии опытов масса воды и массы солей остаются неизменными, то можно считать, что водяное число К будет величиной постоянной.

Для определения водяного числа в калориметре проводят такой процесс, тепловой эффект которого точно известен, например, растворение KCl в воде.

Зависимость удельной теплоты растворения KCl, выраженной в Дж/г, от температуры в интервале от 10⁰С до 30⁰С имеет следующий вид:

_t=334,3–3,866·t, (4)

где t – средняя температура опыта, ⁰С.

t=0,5(t₁+t₂), (5)

где t₁ и t₂ – температуры начала и окончания растворения.

Водяное число калориметра рассчитывают по формуле:

(6)

Зная величину водяного числа калориметра, можно определить удельную интегральную теплоту растворения любой неорганической соли по формуле (2).