Измерение тепловых эффектов химических процессов

Цель работы: изучить принципы калориметрии, методику выполнения калориметрических измерений; произвести термодинамические расчёты, связанные с энергетикой химических реакций.

Оборудование и реактивы: калориметр (в сборке); мерный цилиндр на 100 см³; мерные цилиндры на 50 см³; технохимические весы; фарфоровая ступка; КСI (тв.); 1 М раствор НСI; 1 М раствор NаОН; дистиллированная вода 

 

В основе калориметрических измерений лежат законы Гесса и Кирхгоффа. Содержание калориметрии – измерения теплоемкостей систем различного состава, тепловых эффектов химических реакций и физико-химических процессов, установление зависимости тепловых эффектов от параметров состояния.

Для определения тепловых эффектов химических реакций, а также для измерений теплоемкостей служит специальный прибор – калориметр (от лат. calor – тепло) (рис. 1). Принцип любого калориметрического измерения заключается в том, что создаются условия для частичной изоляции системы от окружающей среды, в системе проводится реакция и измеряется изменение температуры при протекании процесса (реакции).

 

 

Рисунок 1– Калориметрическая установка: 1 – мешалка; 2 – воронка; 3 – калориметрический стакан; 4 – наружный сосуд; 5 – крышка; 6 – термометр

 

В ходе калориметрических измерений, проводимых в изотермическом калориметре, всегда происходит теплообмен с окружающей средой. В результате чего всегданаблюдаются тепловые потери в окружающую среду. Поэтому разница между температурой начала и конца изучаемого процесса всегда отличается от изменения температуры процесса, определяемого в условиях исключающих тепловые потери. Поэтому при проведении калориметрических измерений, прежде всего, необходимо оценить величину тепловых потерь.

Характер теплообмена определяют по временному ходу температуры в течение каждого опыта. Поправку на теплообмен с окружающей средой вводят либо аналитически, либо с помощью описываемого ниже графического метода Ланге-Мищенко. Если продолжительность опыта не превышает двадцати минут, то второй способ предпочтительнее.

Весь опыт делят на три периода: предварительный, продолжающийся не менее 5 минут, главный, с продолжительностью, зависящей от скорости реакции и скорости перемешивания, и заключительный, продолжительностью также не менее 5 минут.

Для построения графика зависимости изменения температуры от времени начинают перемешивание калориметрической жидкости, что облегчает быстрое достижение теплового равновесия в калориметре, и записывают показания термометра через каждые 30 с.

Предварительный период начинают с момента, когда изменение температуры становится постоянным и не превышает ±0, 050-0, 040 ⁰С/мин. Измерения при постоянном ходе температуры производят 10 раз через каждые 30 секунд. Через следующие 30 секунд проводят реакцию (например, смешивают жидкости). Во время этих операций иногда приходится пропустить запись температуры. Пропуск отмечают прочерком, и записывают следующий отсчет под сво­им порядковым номером.

Далее проводят определение теплового эффекта процесса. Температуру непрерыв­но продолжают отсчитывать через те же промежутки времени. За счет выделения или поглощения теплоты в процессе происходит резкое изменение температуры. Это – главный период калоримет­рического опыта.

По завершении главного периода вновь устанав­ливается равномерный ход температуры. Это – заключительный период калориметрического опыта, в течение которого производят еще 10 отсчетов по термометру через 30 секунд каждый.

Типичный вид температурной кривой пра­вильно поставленного калориметрическою опыта при изме­рении экзотермического эффек­та показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Графическое определение DТ

 

После того как на график на­несены все экспериментальные точки, получается кривая АВСD. Участок АВ называется начальным периодом, ВС – главным, СD – конечным.

Чтобы определить изменение температуры DТ, не иска­женное теплообменом, происходящим в течение главного периода, продолжают АВ и СD до пересечения с вертикальной прямой ЕF. Для этого точки m и n, которые соответствуют начальной и конечной температурам главного периода, наносят на ось ординат. Через се­редину отрезка mn проводят линию КР. Пересечение этой линии с кривой ВС дает точку g определяющую положение прямой ЕF. Тем самым, к DТ прибавляют величину, потерянную за счет охлаждения при теплообмене (точка Е лежит выше точки D), и вычитают величину, приобретенную за счет нагревания при перемешивании и теплообмене (точка F лежит выше точки В). Таким образом, DТ=ЕF.

Крутизна линии ВС зависит от характера и условий протекания исследуемого теплового процесса. Крутизна линий АВ и CD зависит от характера теплообмена с окружающей средой. Таким образом, по виду кривой ABCD можно судить о качестве проведенного опыта и учесть его недостатки при проведении следующих опытов. Точность определения изменения температуры за счет теплового процесса является основным фактором, определяющим точность конечного результата.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: