Određivanje Kapaciteta Kalorimetra I Toplote Rastvaranja čvrste Supstance

Određivanje kapaciteta kalorimetra i toplote rastvaranja čvrste supstance

Student ; Huso Jašarević

Uvod Određivanje energetskih promjena u fizikalno-hemijskim procesima bazira se na prvom zakonu termodinamike. On se za bilo koji proces, odnosno za prevođenje određenog sistema iz početnog (1) u konačno stanje (2) može napisati u obliku: U 2 −U 1 =∆ U =Q +W

gdje su: U1 i U2 – odgovarajući iznosi unutrašnje energije sistema q – izmjenjena toplina w – izvršen rad u toku odvijanja procesa Ako se u toku procesa vrši samo volumni rad (kompresija ili ekspanzija) tada se prvi zakon može napisati u obliku: v2

∆U = Q − ∫ pdV v1

Ako se fizikalno-hemijski proces odvija pri konstantnom volumenu, (V = const.), tada je: ∆U = Qv

tj. količina toplote unesena u sistem pri konstantnom volumenu jednaka je prirastu njegove unutrašnje energije. Ako se fizikalno-hemijski proces odvija pri konstantnom pritisku, (p = const.), tada je: U 2 −U 1 =Q p −p (V2 −V1 )

Q p =(U 2 +pV 2 ) −(U 1 +pV1 )

U + pV

kao suma svojstava sistema neovisnih o putu izvođenja procesa predstavlja funkciju stanja sistema. Ovaj izraz predstavlja entalpiju i obilježava se slovom H. H = U + pV Unesena kojičina topline u izobarnom procesu jednaka je prirastu entalpije sistema. Q p =H 2 −H 1 =∆ U

Količina topline bilo kojeg fizikalno-hemijskog procesa određuje se na osnovu promjene temperature (ΔT) koja prati taj proces: Q =C ⋅∆ T

gdje je C – efektivni toplinski kapacitet kalorimetra Kapacitet kalorimetra definiše se kao količina toplote koju je potrebno dovesti da se kalorimetar zagrije za 1ºK.

C=

Q ∆T

Q – promjena energije (topline) fizikalno-hemijskog procesa koji se izvodi.

Zadatak vježbe Odrediti kapacitet kalorimetra i toplotu rastvaranja čvrste supstance.

Metoda rada Određivanje temperaturne razlike najtačnije se vrši grafičkom metodom. ΔT predstavlja razliku između temperature rastvora T2 nakon rastvaranja određene količine čvrste supstance i temperature rastvora T1 prije rastvaranja. Rezultati mjerenja prikazuju se grafički tako da se na apscisu nanosi vrijeme, a na ordinatu temperatura. - Određivanje kapaciteta kalorimetra U kalorimetar (termos boca) stavimo 550 ml destilovane vode. Na termometru koji je uronjen u tekućinu očitava se temperatura svake minute u trajanju od 5 minuta, uz kontinuirano miješanje tekućine. U petom minutu u kalorimetar se doda tačno određeni volumen npr. (1,5 ml konc. sumporne kiseline) i opet uz kontinuirano miješanje prati povećanje temperature u trajanju od 5 minuta. Na osnovu podataka konstruiše se dijagram T = f(τ) i odredi ΔT. Određivanje molariteta kiseline u kalorimetru – Molaritet kiseline u kalorimetru određujemo tako što u 3 erlenmajerice otpipetiramo po 10 ml rastvora (kiselina + voda), dodamo 3-4 kapi indikatora (fenolftaleina) i vršimo titraciju sa 0,1M NaOH. U završnoj tački reakcije, bezbojan rastvor postaje ružičase boje. Na osnovu tabelarnih podataka konstruišemo dijagram ΔH = f(c). Za određeni molaritet kiseline u kalorimetru interpolacijom se odredi odgovarajuća količina toplote i prerčuna na količinu vode koju smo imali u kalorimetru. c[mol/L] 0,108 0,138 0,276 0,421 0,459 0,500

ΔH [KJ/100ml rastvora] 0,799 1,013 1,979 3,005 3,281 3,959

- Određivanje toplote rastvaranja čvrste supstance – U kalorimetar stavimo 550 ml destilovane vode. Očitavati temperaturu svake minute u trajanju od pet minuta, uz kontinuirano miješanje. U petom minutu u kalorimetar se doda 5,5g soli i uz kontinuirano miješanje prati povećanje temperature u trajanju od 5 minuta. Na osnovu dobivenih podataka konstruiše se dijagram T = f (t) i odrediti ΔT.

Određivanje kapaciteta t (min) 1 2 3 4 5

T H2 0 294,65 294,65 294,65 294,65 294,75

t (min) 6 7 8 9 10

Određivanje toplote rastvaranja

T H20+H2SO4 295,15 295,15 295,25 295,65 295,65

t (min) 1 2 3 4 5

T H2 0 294,65 294,65 294,65 294,65 294,65

t (min) 6 7 8 9 10

T H2O + sol 294,75 294,75 294,95 295,15 295,15

Tabela sa mjerenjima

T (°K)

Δ T pri otapanju sulfatne kis. 295,8 295,6 295,4 295,2 295 294,8 294,6 294,4 294,2 294

Razlika T pri otapanju sulfatne kis.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

t (min)

1. Dijagram promjene temperature pri otapanju sulfatne kiseline

Δ T pri otapanju čvrste supstance 295,2 295,1 295 294,9 Razlika T pri otapanju cvrste supstance

294,8 294,7 294,6 294,5 294,4 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

2. Dijagram promjene temperature pri otapanju čvrste supstance

c (mol/l) 0,108 0,138 0,276 0,421 0,459 0,5

ΔH/100ml (KJ) 0,799 1,013 1,979 3,005 3,281 3,959

c = 0,3415 mol/l ΔH/100ml = 2,5267 KJ dH = f (c) 4,5 4 dH/100 ml (KJ)

3,5 3 2,5

dH = f (c)

2 1,5 1 0,5 0 0,108

0,138

0,276

0,3415

0,421

0,459

0,5

c (mol/l)

Dijagram prikaz oslobađanja topline prilikom razređivanja sulfatne kiseline (uvrštena je i vrijednost naše koncentracije kiseline i toplina za tu koncentraciju)

Proračun

Iz tabela 1 i 2 Δ T1 = 295,65 °K – 294,75 °K = 0,9 °K Δ T2 = 295,15 °K – 294,65 °K = 0,5 °K Masa čvrste supstance; m = 5,5 gr Volumeni utrošenog NaOH (0,1 mol/l) V1 = 7,1 cm3 V2 = 6,8 cm3 V3 = 6,6 cm3 Vsr = 6,83 cm3 Koncentracija sulfatne kiseline, Vsulf. = 2 cm3 C1 V1 = C2 V2 C2 = C1 V 1 V2 C2 = 0,1 mol/l * 6,83 cm3 2 cm3 C2 = 0,3145 mol/l ΔH/100 ml za 0,3145 mol¸/l 0,108 M ~ 0,799 KJ 0,3145 M ~ X X = 0,3145 M * 0,799 KJ 0,108 M X = 2,5267 KJ ΔH za 550 ml 2,5267 KJ ~ 100 ml X ~ 550 ml X = 550 ml * 2,5267 KJ 100 ml X = 13,89 KJ = Qp ΔH = Qp Kapacitet kalorimetra Ckal. = Qp Δ T1 ΔH = Qp

Ckal. = 13,89 KJ 0,9 °K Ckal. = 15,4409 KJ/°K Toplota rastvaranja čvrste supstance Qsup. = Ckal. * Δ T2 Qsup. = 15,4409 KJ/°K *0,5 °K Qsup. = 7,7205 KJ