Лабораторна робота 1 в изначення сталої калориметра Загальні теоретичні відомості

Хімічні реакції і фізико-хімічні процеси (наприклад, зміна агрегатного стану, розчинення й ін.) відбуваються з виділенням або поглинанням теплоти. Для експериментального визначення теплових ефектів використовують спеціальні прилади, які називаються калориметрами. Розрізняють два основні типи калориметрів.

1. Калориметри з постійною температурою (ізотермічні), де відбувається плавлення твердої речовини, наприклад льоду, та випаровування рідини. Такі установки мають постійну температуру, оскільки вся теплота, яка надається калориметру, іде на зміну агрегатного стану відповідної речовини (плавлення льоду, випаровування рідини).

2. Калориметри зі змінною температурою, у свою чергу, поділяються на:

адіабатичні, в яких температура оболонки дорівнює температурі калориметра, що виключає можливість теплообміну з навколишнім середовищем та

диференціальні, будова яких дає змогу не враховувати можливості теплообміну.

Калориметр складається з двох однакових частин, одна з яких використовується для проведення екзотермічного процесу, інша — для нагрівання електричним струмом до температури, що дорівнює температурі даної установки. Тоді кількість теплоти, що виділяється в результаті процесу в першій частині калори- метра, еквівалентна електричній енергії, використаній на нагрівання другої його частини.

Калориметри з ізотермічною оболонкою дають змогу враховувати поправку на теплообмін.

Кожний калориметр крім калориметричної системи — сукупності тих його частин, між якими має розподілятись уся теплота, яку необхідно виміряти, має оболонку.

Схему найпростішого калориметра зображено на рис. Л.1-1.1. Він являє собою посудину 5 із тепловою ізоляцією, в яку вміщується стакан 4 для проведення експерименту. Стакан закривається кришкою 2 з отворами 1 і 3 відповідно для термометра та мішалки.

П

Рис. Л.1-1.1. Схема калориметра

де С_к — теплоємність калориметра; Т — зміна температури (додатному значенню Т, тобто збіль­шенню температури, відповідають екзотермічні процеси — тобто процеси, які супроводжуються зменшенням ентальпії Н).

Теплоємність калориметра С_к — це кількість теплоти, необхідної для нагрівання всіх частин калориметра на один градус.

Теплоємність калориметра розраховується як сума теплоємностей окремих його частин або визначається експериментально за зміною температури в процесі з відомим тепловим ефектом.

Точне значення зміни температури в калориметрі під час проведення процесу визначається графічним методом, що дає змогу враховувати можливий теплообмін калориметра з навколишнім середовищем (рис. 2).

Рис. Л.1-1.2. Графічне визначення Т

На графіку АВ — попередній період, СD — заключний період, ВС — голов­ний період, тривалість якого визначається крайніми точками В і С. Стрибок температури Т визначають екстраполяцією прямих АВ та СD на середину голов­ного періоду.

Калориметричні вимірювання проводяться у такий спосіб.

Підготувавши калориметр до роботи, починають перемішувати рідину в стакані і через однакові проміжки часу (30 с або 1 хв) роблять заміри температури до встановлення постійної температури або рівномірної (лінійної) зміни температури в часі. Ця частина досліду називається попереднім періодом, він триває близько 5 хв. Потім починають головний період калориметричного досліду (всипають сіль у воду або вливають у кислоту луг тощо), продовжуючи перемішування і вимірювання температури через ті самі проміжки часу. У головному періоді досліду температура швидко змінюється. Вимірювання температури продовжують протягом 5—6 хв до встановлення лінійної зміни температури — заключний період.

Використовуючи експериментальні дані, будують графік у координатах температура — час (див. рис. Л.1-1.2). Якщо дослід проведено правильно, то зміна температури в попередньому та заключному періодах зображується прямими лініями. Тривалість головного періоду визначається крайніми точками прямих (точки В і С). Зміна температури Т визначається екстраполяцією прямих АВ і СD на вертикаль, проведену через середину головного періоду.

Для визначення змін температури в калориметрії використовують метастатич­ний термометр Бекмана. Він дає змогу вимірювати невеликі зміни температури (до 5–6 С) з точністю до 0,005 С. Термометр складається з основного і додаткового резервуарів ртуті, сполучених між собою капіляром. Особливістю цього термометра є те, що за допомогою додаткового резервуара можна змінювати кількість ртуті в основному резервуарі і завдяки цьому використовувати термометр для вимірювань у широкому інтервалі температур. Шкалу термометра поділено на відрізки по 5 С (іноді 6 С), а кожний градус – на десяті і соті частки. Тисячні частки можна приблизно відрахувати з використанням лупи.

Перед використанням необхідно перевірити настроювання термометра Бекмана. Для цього термометр занурюють у посудину з водою, яка має температуру рідини в калориметрі. Термометр підготовлений правильно для ендотермічного процесу, якщо ртуть у ньому міститься між позначками 4 — 5 С (оскільки спостерігатиметься зниження температури), і відповідно між позначками 0 — 2 С для екзотермічного процесу (оскільки спостерігатиметься підвищення температури).

Якщо термометр встановлено неправильно, його необхідно відрегулювати. Для цього потрібно сполучити ртуть основного і додаткового резервуарів, нагріваючи основний резервуар (рукою або на водяній бані). Для того щоб рівень ртуті містився у верхній частині шкали, слід додати ртуть із верхнього (додаткового резервуару). Для цього нижній (основний) резервуар охолоджують (наприклад, потоком водопровідної води), і ртуть із верхнього резервуару буде втягуватись у нижній.

Якщо необхідно, щоб рівень ртуті встановився у нижній частині шкали, основ­ний резервуар слід помістити вище від додаткового і трохи підігрівати (рукою або на водяній бані) ртуть в основному резервуарі. При цьому ртуть буде перетікати з нижнього резервуару у верхній.

Для припинення надходження ртуті з одного резервуару в інший слід розірвати стовпчик ртуті. Для цього термометр ставлять у вертикальне положення і різко вдаряють верхньою частиною термометра по великому пальцю лівої руки (обережно, щоб не розбити термометр). Після цього термометр знову занурюють у посудину з водою, що має температуру рідини в калориметрі, і перевіряють настроювання.

?