WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI Opiekun: Miejsce ćwiczenia: Katarzyna Piwowar Katedra Fizykochemii i Technologii Polimerów sala nr LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCZNEJ

2 WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI I. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest oznaczenie cząstkowego ciepła molowego rozpuszczania soli wodzie dla dwóch wybranych stężeń M oraz M. 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 + n H H () gdzie: indeks - substancja rozpuszczana indeks - rozpuszczalnik n, n H, H - ilość moli poszczególnych składników - cząstkowa entalpia molowa składnika w mieszaninie H, H - entalpia molowa czystego składnika Eksperymentalnie możemy wyznaczyć jedynie różnicę L = H - cząstkowego molowego ciepła mieszania lub rozpuszczania. Wówczas: H, która nosi nazwę h = n L + n L () Wielkość h jest wielkością, którą można wyznaczyć za pomocą pomiaru kalorymetrycznego podczas rozpuszczania różnych ilości soli. Tak uzyskane dane pozwalają na obliczenie wartości L i L.

3 WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI 3 Cząstkowe molowe ciepło rozpuszczania substancji rozpuszczonej L jest definiowane: L δ h = n δ T,p,n (3) Znając efekt cieplny rozpuszczania różnych ilości moli soli w jednym kilogramie wody (wówczas n będzie równe molarności roztworu soli) można napisać: L δ h = m δ T,p,m (4) Wartość L dla rozpuszczonej soli wyznacza się graficznie z wykresu h w odniesieniu do kg rozpuszczalnika (m ) jako funkcję molarności roztworu. Współczynnik kierunkowy stycznej do krzywej h = f (m ) przy wybranym stężeniu m 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: KNO 3, KBr, NaNO 3, NH 4 NO 3. 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.

4 WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI 4 pokrywa naczynie kalorymetru obudowa kalorymetru sonda termometru roztwór mieszadło termometr cyfrowy mieszadło magnetyczne Rys.. Schemat kalorymetru do wyznaczania ciepła rozpuszczania Do naczynia kalorymetru wkładamy (nie wrzucamy) mieszadło i wlewamy 5 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 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.g), 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,6 do, stopnia. Po pomiarze wstępnym należy umyć kalorymetr, wlać 5 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.

5 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 KNO 3 Azotan(V) amonu NH 4 NO 3 Azotan(V) sodu NaNO 3 substancja utleniająca (H7) substancja utleniająca (H7), drażniąca (H39, H335, H35) substancja utleniająca (H7), toksyczna (H3, H335) drażniąca (H39, H35) H7 Może spowodować pożar lub wybuch; silny utleniacz. H7 Może spowodować pożar lub wybuch; silny utleniacz. H7 Może intensyfikować pożar; utleniacz. H39 Działa drażniąco na oczy. P Przechowywać z dala od źródeł ciepła/iskrzenia/otwartego ognia/gorących powierzchni. Palenie zabronione. P Trzymać/Przechowywać z dala od odzieży/materiałów zapalnych. P8 Stosować rękawice ochronne/odzież ochronną oczu/ochronę twarzy. P W przypadku pożaru użyć rozpylonej wody do gaszenia. P Przechowywać z dala od źródeł ciepła/iskrzenia/otwartego ognia/gorących powierzchni. Palenie zabronione. P8 Stosować rękawice ochronne/odzież ochronną oczu/ochronę twarzy. P W przypadku dostania do oczu: Ostrożnie płukać wodą przez kilka minut. Wyjąć soczewki kontaktowe, jeżeli są i można je łatwo usunąć. Nadal płukać. P3 W przypadku złego samopoczucia skontaktoiwać się z ośrodkiem zatruć luz z lekarze. P W przypadku pożaru użyć rozpylonej wody do gaszenia. P Trzymać/przechowywać z dala od odzieży/materiałów zapalnych. P7 Nie jeść, nie pić i nie palić podczas używania produktu. P8 Stosować ochronę oczu/ochronę twarzy. P35+P35+P338 W przypadku dostania się do oczu: Ostrożnie Umieścić w pojemniku na odpady z grupy N Umieścić w pojemniku na odpady z grupy N Umieścić w pojemniku na odpady z grupy N

6 WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI 6 Bromek potasu KBr Substancja drażniąca (H39) H39 Działa drażniąco na oczy płukać wodą przez kilka minut. Wyjąć soczewki kontaktowe, jeżeli są i można je łatwo usunąć. Nadal płukać. P37+P378 W przypadku pożaru: użyć odpowiednich środków gaśniczych (woda) dla materiałów będących w pobliżu do gaszenia. P35+P35+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. 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 (t - t ) Zν - poprawka na zmianę temperatury pod wpływem otoczenia Z v = t t n t + ( n ) 3 t n (6) n - ilość półminutowych okresów w okresie początkowym n - ilość półminutowych okresów w okresie głównym n - ilość półminutowych okresów w okresie końcowym t - pierwsza zmierzona temperatura okresu początkowego t - końcowa temperatura okresu początkowego i jednocześnie początkowa temperatura okresu głównego (zanotowana w momencie dodania porcji soli do roztworu) t - końcowa temperatura okresu głównego i jednocześnie początkowa temperatura okresu końcowego t 3 - końcowa temperatura okresu końcowego.

7 WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI 7 Rys.. Przykładowy przebieg zmian temperatury po dodaniu jednej porcji soli Efekt cieplny rozpuszczania badanej substancji w roztworze o określonej masie obliczamy ze wzoru: Q ( m c + K ) T = r w (7) m r - masa roztworu c - ciepło właściwe roztworu K - stała kalorymetru (dla zestawionego układu: 6 [J deg - ] 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: c w a, b - stałe m - molarność roztworu = a + b m (8) Wyznaczenie wartości stałych a i b należy wykonać posługując się danymi z Poradnika Fizykochemicznego, Wyd. NT Warszawa 974, str. A 68. 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 Q i (które w sumie prowadzą do utworzenia roztworu o danej molarności). Zmianę entalpii h rozpuszczania danej ilości Q soli należy odnieść do kg rozpuszczalnika: h =. m H O

8 WYZNACZANIE CZĄSTKOWEGO MOLOWEGO CIEPŁA ROZPUSZCZANIA WYBRANYCH SOLI 8 Uzyskane z obliczeń dane zestawić w tabelce: L.p Stęż. molarne soli m Różnica temp. T Ciepło wł. roztworu C w Efekt cieplny rozpuszczania danej porcji soli Q i Efekt cieplny utworzenia roztworu o danym stężeniu Q Efekt cieplny rozpuszczania danej ilości soli w kg wody h Narysować wykres zależności h jako funkcję molarności roztworu i na jego podstawie obliczyć cząstkowe ciepło molowe rozpuszczania dla dwóch wybranych wartości stężeń roztworu (m, m ). Wykres powinien być wykonany starannie na papierze milimetrowym formatu A4. Przeprowadzić analizę błędów. I. PYTANIA KONTROLNE. Jak definiujemy ciepło rozpuszczania?. Co nazywamy cząstkową molową entalpią rozpuszczania? 3. Omówić efekty cieplne towarzyszące procesowi rozpuszczania? 4. Jakie stosuje się metody wyznaczenia cząstkowych wielkości molowych? II. LITERATURA. Praca zbiorowa, Chemia fizyczna, PWN 98, str L. Sobczyk, A. Kisza, Eksperymentalna chemia fizyczna, PWN 98 str P. W. Kisielewa, Zbiór zadań rachunkowych z chemii fizycznej, PWN J. Izydorczyk, J. Salwiński, Skrypt uczelniany nr 7, Zbiór zadań obliczeniowych z chemii fizycznej, cz. III, Gliwice 99, str Wersja z dnia 5.9.5