Instrukcja wykonania ćwiczenia 31

Transkrypt

1 Instrukcja wykonania ćwiczenia CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest wyznaczenie ciepła spalania i wartości opałowej ciekłych i stałych substancji organicznych w tym paliw i biopaliw. Ćwiczenie składa się z wykonania serii pomiarów mających na celu: a) kalibrację urządzenia czyli wyznaczenie stałej kalorymetrycznej K, b) wyznaczenia ciepła spalania biopaliwa, c) wyznaczenie ciepła spalania odważki substancji organicznej, d) wykonanie analiz niezbędnych do uwzględnienia poprawek w otrzymanych wartościach ciepeł spalania. Urządzenia Sprzęt laboratoryjny Środki bezpieczeństwa Kalorymetr IKA C00 bomba kalorymetryczna tygiel termostat butla z O, reduktor prasa z pastylkarką waga analityczna komputer + drukarka biureta szt kolby stożkowe szt tryskawka szt penseta szt pipeta 0 ml szt pipetki jednorazowe strzykawki jednorazowe rękawice lateksowe okulary ochronne Rysunek 5. Schemat kalorymetru IKA C000.. Pulpit sterowniczy (używany, gdy urządzenie nie jest sterowane komputerem).. Klawiatura.. Ekran.. Komora pomiarowa. 6. Czujnik temperatury. 7. Glowica do napełniania tlenem. 8. Bomba kalorymetryczna. 9. Pokrywa komory pomiarowej.

2 Rysunek 6. Części składowe bomby kalorymetrycznej: -nakrętka kołpakowa, - zawór tlenowy, pokrywa, tygiel, 5 kontakt zapłonowy, 6 drucik zapłonowy, 7 - element podtrzymujący tygiel. Rysunek 7. Sposób zakładania nitki bawełnianej () na drucik zapłonowy. Rysunek8 Reduktor butli O, z manometrami Odczynniki a) wzorzec termochemiczny to kwas benzoesowy o cieple spalania 6 cal/g (przy ważeniu w powietrzu w temp. 0 o C) lub 69 cal/g (przy ważeniu w próżni). Wzorzec powinien odpowiadać następującym wymaganiom: temp. topnienia o C zawartość substancji głównej 99,90 % zaw. popiołu, nie więcej niż 0,0 % chlorki, nie więcej niż 0,0005 % siarczany, nie więcej niż 0,005 % metale ciężkie brak wilgoć, nie więcej niż 0,0% b) nitka bawełniana (ciepło spalania 50 J ) c) 0. M roztwór NaOH d) 0. M roztwór HCl e) fenoloftaleina, % roztwór alkoholowy f) biopaliwo

3 Uruchomienie urządzenia. Sprawdzić podłączenie butli z tlenem, odkręcić główny zawór oraz odczytać wartości ciśnienia na manometrach reduktora.. Włączyć listwę zasilającą oraz termostat. Temperatura termostatu powinna być nastawiona na 0 o C.. Włączyć zasilanie kalorymetru.. Włączyć komputer (wybrać oprogramowanie CALWIN, tryb isoperibol, opcja nowy pomiar ) Wyznaczanie pojemności cieplnej kalorymetru Pojemność cieplna kalorymetru wyznaczana jest względem substancji wzorcowej, jaką jest kwas benzoesowy. Wymagania jakościowe podane są w części opisującej odczynniki. 5. Na wadze analitycznej umieścić czysty i suchy tygiel pomiarowy bomby kalorymetrycznej, wytarować wagę, po czym w tyglu umieścić pastylkę kwasu benzoesowego i ponownie zważyć zapisując wynik ważenia z dokładnością 0,00 g ( mg) jako masa wzorca, m wz. 6. Posługując się pipetą jednomiarową nalać do bomby kalorymetrycznej 0,0 cm wody destylowanej. 8. Zawiązać nitkę bawełniana na druciku zapłonowym (Rysunek 7.). Tygiel z pastylką zamocować na elemencie podtrzymującym (Rys. 6), koniec nitki umieścić pod pastylką. 9. Głowicę bomby z tyglem delikatnie wsunąć do korpusu bomby, zakręcić nakrętkę. Tak przygotowanej bomby nie można przechylać, powinna być zawsze w pozycji pionowej. 0. Zawiesić bombę na ramieniu kalorymetru wsuwając ją aż do wyczuwalnego oporu.. Wprowadzić w programie CALWIN informacje o próbce (masa, sposób pomiaru, nazwiska wykonujących pomiar.. Napełnianie tlenem, stabilizacja kalorymetru oraz pomiar prowadzone są automatycznie.. Wyznaczyć miano roztworu HCl dysponując roztworem NaOH o stężeniu 0.00M w obecności fenoloftaleiny ( miareczkowania). Po zakończeniu pomiaru kalorymetrycznego bomba zostaje automatycznie wysunięta, należy ją zdjąć i przeprowadzić dekompresję przy użyciu specjalnego uchwytu odpowietrzającego.. Otworzyć bombę i sprawdzić, czy nastąpiło całkowite spalenie próbki. Jeśli po otwarciu bomby stwierdzono obecność substancji niespalonych, pomiar należy unieważnić.. Ciecz z wnętrza bomby przenieść do kolbki stożkowej, obficie spłukując wodą destylowaną powierzchnie metalowe komory oraz tygiel. 5. Bombę, jej pokrywę oraz tygiel umyć wodą destylowaną i wytrzeć do sucha lub wysuszyć strumieniem powietrza. 6. Roztwór w kolbce ogrzać do wrzenia i gotować przez 5 minut, po czym ochłodzić, dodać 0,00 cm 0.M NaOH (miano nastawione na M HCl). Dodać fenoloftaleinę i odmiareczkować nadmiar NaOH roztworem HCl o wyznaczonym w punkcie stężeniu. Nie trzeba usuwać powietrza przed napełnianiem bomby tlenem. Obecność niewielkiej ilości azotu jest w pewnych pomiarach pożądana (kiedy jest korzystna?), a wyniki pomiaru są korygowane na podstawie analizy ilości wytworzonego kwasu azotowego.

4 Obliczanie stałej kalorymetru 7. Wyznaczyć przyrost temperatury (wg równania ()) z uwzględnieniem poprawki zdefiniowanej równaniem (). (przykładowe obliczenie : patrz przykład nr w rozdziale pt. Przykłady obliczeń) = T n -T o +c () w którym: T n -ostatnie odczytanie temperatury okresu głównego T o -ostatnie odczytanie temperatury okresu początkowego c -poprawka na wymianę ciepła układu kalorymetrycznego z otoczeniem. Poprawkę c należy obliczyć wg wzoru Buntego: c = n t [( p+ k) + r k] () gdzie: n t to liczba odczytów na minutę, p to średni wzrost temperatury w ciągu jednej minuty (w C) w okresie początkowym, k to średni spadek temperatury w ciągu jednej minuty (w C) w okresie końcowym, r to liczba odczytów w głównym okresie pomiarowym. Wartość T wynosi zazwyczaj mniej niż stopnie (dokładność pomiaru temperatury to 8. Obliczyć pojemność cieplną kalorymetru na podstawie równania (), uwzględniając masę próbki, poprawkę na ciepło spalania nitki bawełnianej oraz poprawkę na ciepło spalania azotu. (przykładowe obliczenie K znajduje się nr w rozdziale pt. Przykłady obliczeń) K = Q wz m wz +c +c b +c N () 8. Czynności z punktów 5-7 powtórzyć dwukrotnie za każdym razem obliczając stałą K. Za wynik ostateczny przyjąć średnią arytmetyczną. Oznaczanie ciepła spalania biopaliwa (estrów FAME) 9. Na wadze analitycznej umieścić czysty i suchy tygiel pomiarowy bomby kalorymetrycznej, wytarować wagę, po czym w tyglu umieścić ok cm biopaliwa (estrów metylowych kwasów tłuszczowych) i ponownie zważyć zapisując wynik ważenia z dokładnością 0,000 g (0, mg) jako masa próbki, m pr. 0. Przeprowadzić pomiar zgodnie z opisem zawartym w punktach 7-6, każdorazowo wykonując obliczenia opisane w punkcie 7.. Ciepło spalania paliwa Q paliwa należy obliczyć z równania () uwzględniającego masę próbki oraz poprawkę na spalanie azotu: Q paliwa = K c b c N m pr [cal g] ()

5 temperatura / o C gdzie: K- stała kalorymetru, - różnica temperatur wyznaczona w punkcie 0, m pr - masa spalanej próbki biopaliwa, c b -poprawka na ciepło spalania nitki bawełnianej, c N -poprawka na spalanie azotu (uwzględniająca azot z próbki oraz azot z powietrza).. Czynności z punktów 9- powtórzyć dwukrotnie za każdym razem obliczając Q paliwa. Za wynik ostateczny przyjąć średnią arytmetyczną.. Obliczyć błąd pomiaru. Przykłady obliczeń Przykład - Obliczenie wartości zmierzone: okres wstępny: okres główny: okres końcowy czas / min. temp. o C czas / min. temp. / o C czas / min. temp. / o C 0,57,56,599,60,68 0 7,85 7,807 7,769 7,7 7, ,550 7,085 7,7 7,77 7,885 7,99 7,909 7,88 7,5000 7,0000 6,5000 6,0000 5,5000 5,0000,5000, czas pomiaru /minuty Przyrost temperatury obliczony jest z równania () i (). T n = 7,88 o C, T o =,68 o C, n t = odczyt /minutę, p = (,68 o C-,57 o C) / min = 0,05oC/min k = (7,69 o C-7,85 o C) / min = 0,05oC/min r= 8 c = n t [( p+ k) + r k]= /min [0,05 o C/min +0,05 o C/min+8 0,05 o C/min] = 0.5 o C a zatem 5

6 = 7,88 o C -,68 o C + 0,5 o C =,07 o C błąd tak wyznaczonej wartości to suma błędów poszczególnych składowych T n =0,000 o C T o =0,000 o C c= n t [( p+ k) + r k] =/min [0,000 o C/min +0,000 o C/min+8 0,000 o C/min] = 0.00 o C czyli = 0,00 o C Przykład - Obliczenie stałej kalorymetrycznej do kalibracji użyto,08 g kwasu benzoesowego, masa nitki bawełnianej jest równa 5, mg a przyrost temperatury wyniósł,95 o C. Do roztworu poreakcyjnego wypłukanego z bomby dodano 0,00 ml 0,M wodorotlenku sodu a na odmiareczkowanie nadmiaru NaOH zużyto 5,0 ml 0,M HCl m wz =,08 Q wz = 6, kcal/g =,95 o C m b =0,005 g v NaOH =,70 ml Zatem, po podstawieniu do wzoru X5 otrzymujemy: K=[6 cal g -,08 g + 00 cal g g +, cal ml -,70 ml] /,95 o C = 59 cal/ o C. UWAGA: przykład zawiera dane w kaloriach. Przykład - Obliczenie błędu pomiaru K Dane m wz, Q wz, zostały wzięte z przykładu. Ciepło spalania nitki bawełnianej to 50 J Poszczególnym parametrom przypisano następujące błędy maksymalne: błąd dokładności wyznaczania 0,00 o C błąd ciepła spalania nitki bawełnianej J= 0, cal błąd wyznaczania ciepła spalania azotu 0,05 cal/ml (przy założeniu ze błąd miareczkowania to 0,0mL a błąd przelicznika to 0,0 cal/ml) na podstawie równania () metodą maksymalnego błędu K = ± [ ) Q Q wz + ) m wz m wz + wz c b + b c N + ( K ) T N ] kal K = ± [ ) Q Q wz + ) m wz m wz + wz c b + b c N + ( K ) T N ] kal Q wz ) = m wz =,08,95 = 0, 6

7 m wz ) = Q wz = 6,95 = 5,56 c b ) = =,95 = 0,0 c N ) = =,95 = 0,0 ) = Q wzm wz +c b +c N = 6,08+,9+6,7 = 07,0 ( ) 6,55 K = ±[0, +,56 0, ,0 0, + 0,0 0, ,0 0,00] = 0, + 0,00 + 0,09 + 0,0 +,0 = ±,5 cal/deg a zatem otrzymany w przykładzie wynik to K = 59 cal /deg Przykład - Obliczenie ciepła spalania biopaliwa do pomiaru użyto 0,7760 g biopaliwa, nitkę bawełnianą, której ciepło spalania wynosi 50 J a przyrost temperatury wyniósł,80 o C. Do roztworu poreakcyjnego wypłukanego z bomby dodano 0,00 ml 0,M wodorotlenku sodu a na odmiareczkowanie nadmiaru NaOH zużyto 5,0 ml 0,M HCl. Stała kalorymetru K=085 9 J/K. m pr =0,687 g K= J/K =,795 K c b = 60 J v NaOH =,90 ml Przelicznik analityczny ciepła spalania azotu wynosi, cal/ml czyli 5,98 J/mL. c N =5,98 J ml -,90 ml=9, J= 9 J Q paliwa = K c b c N m pr = 085, = 899,5 J = 9,9 kj/g g Ćwiczenie opracował dr hab. Grzegorz Litwinienko prof. UW. Materiały do ćwiczenia opracowali dr hab. Grzegorz Litwinienko prof. UW, dr Elżbieta Megiel 7