POLITECNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CEMICZNY KATEDRA FIZYKOCEMII I TECNOLOGII POLIMERÓW OZNACZANIE CIEPŁA SPALANIA SUBSTANCJI ORGANICZNEJ W KALORYMETRZE (BOMBIE KALORYMETRYCZNEJ) Opiekun: Miejse ćwizeni: Krzysztof Kroń Ktedr Fizykohemii i Tehnologii Polimerów, sl nr 10
I. CEL ĆWICZENIA Celem ćwizeni jest przeprowdzenie pomiru iepł lni sustnji orgniznej w omie klorymetryznej nstępnie olizenie zminy stndrdowej entlpii molowej orzeni dnego związku. II. WSTĘP TEORETYCZNY (WPROWADZENIE, PODSTAWY TEORETYCZNE) Proesem lni nzywmy rekję dnej sustnji z tlenem, w wyniku której powstją proste produkty tkie jk O (), CO (g), N (g) itd. Splnie sustnji orgniznej o wzorze sumryznym C O przeieg zgodnie z równniem: C O + + O ( g) CO ( g ) + O + QV 4 Q V jest to iepło lni w stłej ojętośi równe U, gdzie U oznz zminę energii wewnętrznej ukłdu. Związek między iepłem lni w stłej ojętośi Q V, q iepłem rekji pod stłym iśnieniem Q p wynik z zleżnośi między entlpią, energią wewnętrzną ukłdu U. def. = U + pv Stąd; Q p ( pv ) = Q + w stłej temperturze v gdzie: p - iśnienie, V - ojętość. Przy złożeniu, że produkty i sustrty występująe w stnie gzowym zhowują się jk gz doskonły: pv RT n zyli: ( ) g gdzie: n g zmin lizy moli regentów gzowyh w proesie lni, n g = Σn Σn prod ( g ) su( g ) ( ) = U + n RT V, T Mją entlpie lni, możn z prw ess znleźć entlpie orzeni dnego związku, zdefiniown jko zminę entlpii w proesie powsni 1 mol dnej sustnji z pierwistków w ih stnie podsowym (njrdziej stilnym występująym w nturze). CO + O C O + + O = 4 ( g ) ( ) ( s ) ( g ) 1 C O grfit C + O CO = ( s ) ( g ) ( g ) CO + O ( ) ( ) O ( ) 3 = 4 g g O g
3 C grfit ( s) + ( g ) + O ( g ) C O C O = 1 = + CO + + 3 O C O Do pomiru iepł lni nie wyuhowyh, plnyh sustnji orgniznyh stosuje się klorymetr ditermizny (omę klorymetryzną). Splnie nstępuje w tmosferze tlenu pod iśnieniem 0-30 r. Budowę omy klorymetryznej przedsi rysunek 1. Wszystkie zkrętki i zwory w omie zmyk się ręką, ez użyi kluz. Podzs pomiru om znurzon jest w wodzie, której temperturę mierz się termometrem rtęiowym umożliwijąym odzyt z dokłdnośią do 0,01 K. III. WYKONANIE ĆWICZENIA Aprtur Bom klorymetryzn, termometr, nzyńko wgowe Odzynniki Kwsy: ftlowy (C 6 4 (COO) ), ursztynowy (OOC-C -COO), enzoesowy (C 6 5 COO) A. PRZYGOTOWANIE PASTYLKI SUBSTANCJI ORGANICZNEJ Do orządzeni pstylki służy prs o npędzie ręznym. W nzyńku wgowym nleży odwżyć około 0.8 g dnej sustnji z dokłdnośią do 0.000g. Ze zwoju drutu oporowego odiąć kwłek o długośi około 10 m i zwżyć n wdze nlityznej. W środku druik uformowć irlę (około 4-5 zwojów) przez nwinięie go n pręik o średniy mm. Spirlę umieśić w prsie wyprowdzją końe druik, przez ejlne wyżłoieni, n zewnątrz. Wsypć do komory prsy odwżoną sustnję i rsowć pstylkę. Nstępnie wyjąć wkłdkę środkową znjdująą się między podporą tuleją formują i niskją tłokiem wyjąć pstylkę. Druik powinien yć wprsowny w środek pstylki. Pstylkę wrz z druikiem nleży zwżyć n wdze nlityznej. Wżenie wykonć ezpośrednio w tyglu stlowym o znnej msie. B. PRZYGOTOWANIE BOMBY DO POMIARU. Z korpusu omy klorymetryznej (1) po odkręeniu smouszzelnijąej nkrętki (3) wyjąć głowię () i umieśić ją w sttywie. Umieśić w uhwyie (10) tygiel stlowy, włożyć do niego pstylkę końe druików umoowć w ziskh drutu zpłonowego (11) n elektrodh. Nstępnie do korpusu omy usionego n podsie umoownej trwle do szfki wlć pipetą 3 ml wody destylownej, nłożyć głowię n korpus omy i szzelne zmknąć omę. Przenieść omę n podskę ook utli z tlenem i wykręić z zworu
4 Okulr do odzytu tempertury (z podœwietlzem) Do pulpitu sterownizego Pokrętło regulji położeni okulru Motor mieszdł Wirtor termometru Mieszdło Pokryw odierlnik iepł Termometr z dokłdnośią 0.01 K Odierlinik iepł - wod Bom włśiw opis poniżej Do zpłonu elektryznego Gumow uszzelk (11) Ziski utrzymująe druik oporowy Tlen z utli (7) Zwór rdełkowy (3) Stlow zkrętk szzelnie zmykją Tlen pod wysokim iśnieniem Pstylk próki zwieszon n druiku oporowym (10) tygiel stlowy Stlow oudow omy
5 wylotowego omy (6) wkręt ejlny. Do wolnego zworu wlotowego omy wkręić wolny konie kpilry łąznikowej. Nstępnie oorzyć zwór wlotowy omy (7) przez wkręenie uhwytu rdełkowego zgodnie z ruhem wskzówek zegr. Nstępnie wyregulowć reduktor n utli z tlenem n iśnienie wyjśiowe 3 MP i przepłukć omę tlenem. Po hwili nleży zmknąć zwór wylotowy omy przez wykręenie uhwytu rdełkowego w kierunku przeiwnym do ruhu wskzówek zegr do oporu i npełnić omę tlenem. Po zmknięiu dopływu tlenu do omy i zmknięiu zworu n utli odłązyć kpilrę łąznikową od omy klorymetryznej i wykręić wkręt ejlny zworu wlotowego. UWAGA: Żdnej zęśi omy klorymetryznej, reduktor i utli z tlenem nie wolno smrowć tłuszzem. Zniezyszzenie tłuszzmi srz nieezpiezeńso wyuhu. N kołki kontktowe omy wisnąć przewody elektryzne pozym przenieść do klorymetru w pozyji pionowej i wsić do nzyni klorymetryznego. Bom powinn yć znurzon w wodzie do1/3 wysokośi zworu wylotowego. Jeśli z omy wydzielją się pęherzyki gzu, om jest nieszzeln. W tkim przypdku nleży wyjąć omę z nzyni klorymetryznego, osuszyć śierką i wypuśić z niej tlen. Odkręić zkrętkę smouszzelnijąą i usunąć nieszzelność pod okiem systent. C. WYKONANIE POMIARU 1. Połązyć przewód zpłonowy z pulpitem sterownizym.. Wprowdzić do nzyni klorymetryznego mieszdło mehnizne, nkryć jedną połowę nzyni klorymetryznego pokryw z winiduru. 3. Wprowdzić termometr klorymetryzny do nzyni klorymetryznego zwlniją doiskz gumowy i luzują śruę n wirtorze Ziornik rtęi termometru klorymetryznego powinien sięgć połowy wysokośi omy. Mieszdło i termometr nie mogą dotykć omy klorymetryznej. 4. Zmknąć drugą połowę nzyni klorymetryznego pokrywą z winiduru. 5. Włązyć wtyzkę klorymetru do gnizdk sieiowego. 6. Włązyć przyiski sieiowy, mieszdł mehniznego, wirtor. Wirtor uderz i termometr w równyh 60 sekundowyh odstęph zsu. 7. Odzekć 5-10 min. W elu wyrównni tempertury w klorymetrze. 8. Włązyć przyisk podświetlz termometru. Włązyć przyisk sygnlizji dźwiękowej, o owoduje odezwnie się rzęzk w momenie odzytu tempertury, który dodtkowo sygnlizuje zplenie się zerwonego, górnego punktu świetlnego i ekrniku. Odzyty tempertury nleży prowdzić z dokłdnośią do 0.01 K. Do przesuwni podświetlz i lupy służy pokrętło znjdująe się n podświetlzu. Prowdzić odzyty tempertury okresu pozątkowego o 60 s przez 5 minut. Podzs odzytów tempertury, kreskę skli znjdująą się pod kpilrą, njliższą słupk rtęi ptrząy powinien widzieć jko linię prostą. 9. Po osttnim odzyie tempertury okresu pozątkowego nisnąć przyisk zpłonowy oserwują zy lmpk kontroln zpłonu zplił się i zgsł. Z hwilą zgśnięi lmpki zwlni się przyisk zpłonowy. Jeśli lmpk świei się przez ły zs przy niśniętym przyisku pomir nleży przerwć gdyż świdzy to o nieleniu się druik oporowego. Okres główny rozpozyn się
6 momenie zpłonu pomiry notowć w teli wg. wzoru zmieszzonego poniżej 10. Notowć temperturę okresu głównego o 30 sekund i nstępnie tempertury okresu pozątkowego. Okres końowy rozpozyn się w momenie gdy zminy tempertury są stłe w zsie. 11. Po osttnim odzyie tempertury wyłązyć mieszdło mgnetyzne, wirtor, podświetlz termometru, sygnliztor dźwiękowy orz główny wyłąznik sieiowy. 1. Wyjąć z nzyni klorymetryznego termometr i mieszdło. 13. Odłązyć przewód zpłonowy omy od pulpitu sterownizego. 14. Wyjąć omę i umieśić ją n podse, osuszyć omę śierezką. 15. Wypuśić gzy linowe z omy przez orie zworu wylotowego. Orie zworu nstępuje przez wkręenie zworu rdełkowego w kierunku zgodnym z ruhem wskzówek zegr. 16. Okręić zkrętkę smouszzelnijąą, wyjąć głowię i usić ją w sttywie. 17. Sprwdzić w tyglu i omie zy nsępiło łkowite lenie próki pliw. 18. Wyjąć tygiel i wyzyśić go ostrożnie. 19. Zdjąć od tulejek ziskowyh resztki nielonego drutu oporowego i zwżyć je. W trkie ćwizeni nleży zrejestrowć: Zminy tempertury w zsie l.p. 1 3 4 5 6 Liz odzytów tempertury tempertur T Temperturę wody w płszzu klorymetryznym Temperturę wody w nzyniu klorymetryznym Temperturę otozeni Msę druik oporowego Msę nielonej próki Msę tygl Msę tygl z pstylką sustnji orgniznej i wyprsownym druikiem Msę sustnji orgniznej
7 IV. ZASADY BEZPIECZEŃSTWA I UTYLIZACJ ODPADÓW UWAGA: W rzie niepożądnego kontktu z sustnją nieezpiezną ntyhmist powidomić prowdząego zjęi. ODCZYNNIK KLASYFIKACJA ZAGROŻENIA ŚRODKI BEZPIECZEŃSTWA Kws ursztynowy OOC-C -COO Kws ftlowy C 6 4 (COO) Kws enzoesowy C 6 5 COO Sustnj drżnią (X) Sustnj drżnią (X) sustnj szkodliw (C08), Sustnj drżnią (X) R:36/37/38, drżniąy dl ozu, ukłdu oddehowego i skóry. R: 36/37/38, drżniąy dl ozu, ukłdu oddehowego i skóry. R: /36/37/38, szkodliwy po ożyiu, drżniąy dl ozu, ukłdu oddehowego i skóry. S: 6-36 w przypdku kontktu z ozmi, przemyć ntyhmist dużą ilośią wody i skonsultowć z lekrzem, używć odpowiedniej odzieży ohronnej S: 15-17-6-36, przehowywć z dl od źródeł iepł, przehowywć z dl od mteriłów plnyh, w przypdku kontktu z ozmi, przemyć ntyhmist dużą ilośią wody i skonsultowć z lekrzem, używć odpowiedniej odzieży ohronnej. S: 15-16-6-36, przehowywć z dl od źródeł iepł, przehowywć z dl od źródeł ogni, nie plić, w przypdku kontktu z ozmi, przemyć ntyhmist dużą ilośią wody i skonsultowć z lekrzem, używć odpowiedniej odzieży ohronnej. POSTĘPOWANIE Z ODPADAMI BRAK ODPADÓW (W trkie ćwizeni nstępuje lenie odzynnik) BRAK ODPADÓW (W trkie ćwizeni nstępuje lenie odzynnik) BRAK ODPADÓW (W trkie ćwizeni nstępuje lenie odzynnik) IV. OPRACOWANIE WYNIKÓW 1. Wykonć wykres zleżnośi tempertury od zsu pomiru.. Określić zminę tempertury metodą opisną w pozyji literturowej [4] n stronh 187-189. 3. Olizyć poprwkę n strty iepł, z rozszerzonego wzoru Regnult - Pfundler, niezleżnie od zsu trwni okresu głównego:
8 v 0 T = T n / orz v n / / 0 T = T // // 0 n // n gdzie: T 0 - tempertur wody n pozątku: / - okresu pozątkowego, // - okresu końowego T n - tempertur wody n końu: / n / n // - okresu pozątkowego, // - okresu końowego - ilość półminutowyh okresów w okresie pozątkowym - ilość półminutowyh okresów w okresie końowym. n 1 v v υ = + ( ) 0 + T0 T n v 0 T T T 1 n nt gdzie dodtkowo: T - średni tempertur wody w: / - okresie pozątkowym, // - okresie końowym, T 0, T n, T - tempertury okresu głównego. Odzytują z wykresu zminę tempertury wody w odierlniku iepł ( T) jko różnię między pierwszą temperturą okresu końowego osttnią temperturą okresu pozątkowego, uwzględniją poprwkę n strty ieplne otrzymujemy skorygowną (prwdziwą) zminę tempertury wody w odierlniku: Tskor. = T + υ 4. Olizyć iepło lni sustnji orgniznej w nstępująy osó: ułożyć ilns energetyzny proesów jkie zszły w omie. Sum wszystkih przemin przy złożeniu dityznośi klorymetru powinn równć się 0. K T. + m. q. + m q = 0 popr dr dr próki v gdzie: q v - iepło wydzielone przy lniu dnej msy próki - m próki, q dr. - iepło lni druik = - 6.688 kj g -1, m dr. - ms lonego druik, K - pojemność iepln klorymetru wrz z wodą w odierlniku (nlog iepł włśiwego wody) z powyższego ilnsu wylizyć iepło lni 1 mol dnej sustnji, poprzez przeksztłenie poniższego wzoru: M r Qv = ( K T popr. + m dr. qdr. ) m próki gdzie: M r - ms molow dnej sustnji. Nstępnie znleźć 98 z zleżnośi: ( ) V, T = QV + ng RT
= n n n g g g prod. sust. 9 przy zym z temperturę dl jkiej wyznzono dną entlpię lni, przyjąć średnią temperturę okresu głównego z dokłdnośią 1 K. Ztem: 98 = 5. Olizyć korzystją z zleżnośi dokłdnie przedsionej w zęśi teoretyznej = + C O CO O C O Przy zym wrtośi zmin entlpii orzeni CO orz Onleży przyjąć: = 398. 511kJ mol V. PYTANIA KONTROLNE 98 1 CO ( g ) = 85838. kj mol 98 1 O ( ) 1. Jk definiujemy iepło lni?. Co to jest pojemność iepln klorymetru i o się n nią skłd? 3. Omówić prwo ess 4. Jkie znsz rodzje pomirów klorymetryznyh? VI. LITERATURA 1. A. Dorilsk, Ćwizeni lortoryjne z hemii fizyznej, PWN 1955, str. 304-338.. J. Izydorzyk, J. Slwiński, Winenty Turek, Zigniew Uziel Skrypt uzelniny nr 07, Ziór zdń olizeniowyh z hemii fizyznej, z. II, Gliwie 1997, str.19-3. 3. P. W. Kisielew, Ziór zdń rhunkowyh z hemii fizyznej, PWN 1970. 4. Pr ziorow, Skrypt uzelniny nr 705 Ćwizeni lortoryjne z hemii fizyznej zęść I, Gliwie 1978, str.187-189 Wersj z dni 01.10.010