5. Sók oldáshőjének meghatározása kalorimetriás módszerrel. Előkészítő előadás

Átírás

1 5. Sók oldáshőjének meghatározása kalorimetriás módszerrel Előkészítő előadás

2 Célja: hő mérése A kalorimetriás mérések Használatával meghatározható: átalakulási hő reakcióhő oldáshő hidratációs hő anyagok hőkapacitása Elve: A folyamatot kísérő hőeffektust egy azzal kapcsolatos fizikai mennyiség megváltozásának mérésével követjük.

3 A mérési feladat Cél: A kristályvízmentes nátrium-acetát hidratációs hőjének meghatározása. Na-acetát (sz) Na-acetát 3H 2 O (sz) r H hidr Probléma: Ez a hidratációs hő közvetlenül nem mérhető meg. Megoldás: A kritályvizes és a kristályvízmentes sók oldáshőjének méréséből a Hess-tétel alapján határozzuk meg a hidratációs hőt.

4 Hess tétele Hess tétele: Egy folyamatot kísérő entalpiaváltozás csak a kezdeti és a végállapottól függ, de nem függ attól, hogy a folyamatot milyen részlépésekben hajtjuk végre. Hess tétele egyszerű következménye annak, hogy az entalpia állapotfüggvény. A részlépések lehetnek a gyakorlatban nem kivitelezhetők is. Hess tételéből következik, hogy körfolyamatban a részlépések entalpiáinak összege zérus.

5 A hidratációs hő meghatározása a Hess-tétel alapján nátriumacetát nátriumacetát 3H 2 O r H 3 r H 2 r H 1 vízfeleslegben oldva hidratáció+oldódás nátriumacetát oldat r H 1 = r H 2 + r H 3 r H 3 = r H 1 - r H 2

6 Alapvető kaloriméter típusok Név Hőcsere a kaloriméter és környezet között Mérendő mennyiség Adiabatikus nincs hőmérséklet Anizoterm Izoterm Hővezetési (kvázi-izoterm) van, de a lehető legkisebb mértékű van van hőmérséklet izoterm környezetnek átadott hő (fázisátalakulás, közeg áramoltatás mértéke) izoterm hőtartálynak átadott hő 6

7 A gyakorlaton használt eszköz: anizoterm kaloriméter Az anizoterm kaloriméternél: A mért mennyiség a hőmérséklet. Van hőcsere a kaloriméter és környezet között, de mértékét a lehető legkisebbre csökkentjük. A hőmérséklet megváltozása és a hőeffektus közötti kapcsolat: Q = C összes T ahol Q a hő C összes a kaloriméter teljes hőkapacitása T a hőmérsékletváltozás A kaloriméter teljes hőkapacitása nem ismert, kalibrációval meg kell határozni!

8 Egy kísérlet fő lépései ismert hőeffektust kísérő hőmérsékletváltozás (kalibráció) a kaloriméter hőkapacitása a mérendő folyamatot kísérő hőmérsékletváltozás a mérendő hő mért mennyiségek számított mennyiségek

9 A kaloriméter hőkapacitásának meghatározása Egy szigetelt elektromos ellenállást fűtünk ismert feszültségű feszültségforrással adott ideig. A kaloriméterbe juttatott hő megegyezik az elektromos áram munkájával, ami az Ohm-törvényt felhasználva: 2 U q = we = P t = t R q a kaloriméterbe juttatott hő, w e az elektromos munka, P a teljesítmény, U a főtéshez használt feszültség, R a fűtőellenállás, t a fűtés ideje. A kaloriméter hőkapacitása: C összes = q T kalibrció C össszes a kaloriméter teljes hőkapacitása, q a kaloriméterbe juttatott hő, T kalibráció a kaloriméter hőmérsékletváltozása.

10 A kaloriméter hőkapacitásának meghatározása A kalorimétert gondolatban osszuk két részre: víz + egyéb részek. Ezek hőkapacitása külön-külön pozitív. A víz hőkapacitását ki tudjuk számítani, így az egyéb melegedő részek hőkapacitása megkapható: C egyéb = C összes c víz m víz Ha C egyéb negatív a mérés rossz, meg kell ismételni!

11 Az oldáshő számítása A só oldáshője (oldási entalpiája) az entalpia reakciókoordináta szerinti deriváltja: H rh = ξ A parciális deriváltakat véges differenciává alakítva: A reakciókoordináta változása a reakció során: ξ = r H H = ξ n ν i i Állandó nyomáson a mért hőváltozás megfelel az entalpiaváltozásnak, az összes só feloldódik ( n i = n só ) és az oldódás során ν i = 1, így: r H = Q n só

12 A hőváltozás számítása Az oldás során felszabaduló/elnyelődő hő: Q = C összes T oldódás 1. megjegyzés: Amennyiben a só oldásakor csökken a hőmérséklet, T oldódás természetesen negatív előjelű lesz. 2. megjegyzés: Az egyenletben a negatív előjel azért kell, hogy a vizsgálandó rendszerre vonatkozóan helyesen adódjon az energiaváltozás előjele, mivel a kaloriméter hőmérsékletváltozását mérjük. (rendszerközpontú szemlélet!)

13 A mért és számított értékek pontossága A meghatározott és felhasznált mennyiségek (hőmérsékletek, tömegek, térfogatok, idők, ellenállások, feszültségek) hibával terheltek. A mért adatokat a mérőberendezés biztosította lehető legnagyobb pontossággal határozzuk meg. A számított adatokat a kiindulási adatoknál 1-2 értékes jeggyel többre adjuk meg. Számítások szerint az oldáshő hibája kj/mol mértékegység használata esetén a tizedes jegyben jelentkezik. Ezért az oldáshőket és a hidratációs hőt 0,1 kj/mol pontossággal adjuk meg. r H = 19,351kJ/mol r H =19,4 kj/mol 13

14 A mérés lépései 1. A kaloriméter összeállítása, só bemérése. 2. Kalibráció 3. A só oldása Egy mérőpáros csak egy só oldódását méri, az adatokat megosztják egymással!

15 A gyakorlaton használt anizoterm kaloriméter vázlatos rajza Ellenállás hőmérő, termisztor A termisztor egy félvezető fém-oxid ellenállás. Az ellenállás nagysága a hőmérséklet növelésével exponenciálisan csökken. U fűtőfeszültség A hőmérséklet kiszámítását a mérőszoftver végzi. R fűtőellenállás

16 A gyakorlaton használt anizoterm kaloriméter belső része ellenállás hőmérő (termisztor) Parafinolaj hőközvetítő közeg miatt a termisztoros hőmérő és a kalorifer MINDIG FÜGGŐLEGES HELYZETBEN legyen! fűtőellenállás

17 A gyakorlaton használt anizoterm kaloriméter a belső rész tárolására szolgáló főzőpohár az összeállított kaloriméter feszültségstabilizált áramforrás a fűtéshez

18 Tanácsok a só beméréséhez 1. A mintatartó vízmentes lezárását alaposan kell végezni. Az olvadt paraffin forró! Lecseppen, fröccsen

19 Tanácsok a só beméréséhez 2. A két só anyagmennyiségét külön-külön pontosan ismerni kell. Analitikai mérleg vagy táramérleg. 3. A só bemérését tisztán végezzük. Ne a mérleg fölött dolgozzunk!

20 Tanácsok a só beméréséhez 4. Az oldáshő koncentrációfüggése miatt az oldatok koncentrációinak elég pontosan meg kell egyezniük. Ezért a két sóból (anyagmennyiségre!) ugyanannyit mérünk be. 0,02-0,04 g tömegeltérés megengedett! A tömegeket, az anyagmennyiségek számítását jegyzőkönyvezzük.

21 A víz bemérése A kaloriméter edényébe mérőhengerrel 400 cm 3 vizet töltünk. A víz pontos tömegét visszaméréssel határozzuk meg! Lemérjük a 400 cm 3 vizet tartalmazó mérőhengert a NAGYOBB MÉRÉSHATÁRÚ mérlegen. Beleöntjük a vizet a kaloriméterbe. Lemérjük az üres mérőhengert. A két tömeg különbsége a bemért víz tömege. Minden adatot és a számolást is jegyzőkönyvezzük.

22 2. Kalibráció: hőközlés kaloriferrel 3. A só oldása A mért hőmérséklet értékeket az idő függvényében egy számítógépes programmal rögzítjük. A folyamat részei: A mérés lépései 1. kezdeti hőmérséklet észlelése (első előszakasz) 2. hőközlés kaloriferrel (első főszakasz) 3. véghőmérséklet észlelése, ami egyben a következő folyamat előtti kezdeti hőmérséklet is (első utószakasz, egyben a második előszakasz is) 4. a só feloldása (második főszakasz) 5. véghőmérséklet észlelése (második utószakasz)

23 Egy tipikus mérés T FSZ1 = T 2 T 1 T FSZ1 T FSZ2 T FSZ2 = T 4 T 3 A környezettel való hőcserét grafikus módszerrel tudjuk figyelembe venni.

24 A mért adatok értékelése A mérőpárok a saját mérésükből készítenek grafikont. Az együttműködő mérőhelyen dolgozóknak átadják grafikonjukat (elektronikusan!) és a méréshez tartozó összes jegyzőkönyvezendő mérési adatot (a jegyzőkönyvbe kell leírni). A saját és a kapott adatokból minden mérőpárnak külön kell az értékelést elvégeznie.

25 Vízmentes nátrium-acetát oldása Minta számolás Mért adatok: t fűtés = 90 s U feszültségforrás = 24,6 V R kalorifer = 23,9 Ω m só = 4,430 g T FSZ1 = 1,118 C T FSZ2 = 0,434 C m víz = 400 g T / o C T 2 = 24,659 o C T 2 = 0,434 K Vízmentes nátrium-acetát oldáshőjének mérése T 1 = 1,118 K c víz = 4,18 J g -1 K T 1 = 23,541 o C M NaAc = 82,03 g mol idő / s

26 Minta számolás A kaloriméterbe juttatott hő megegyezik az elektromos áram munkájával: 2 2 U 24,6V q = we = t = 90s = 2279J R 23,9 Ω A kaloriméter hőkapacitása: C összes q = T J = = 1,12 C 2035 Ellenőrzés: a melegedő részek hőkapacitása pozitív kell legyen: C A különbség pozitív (és nem túl nagy), tehát a kaloriméter teljes hőkapacitására kapott érték nem irreális. J C J J J ,18 400g 363 o C g C C egyéb = Cösszes cvízmvíz = =

27 Minta számolás A só anyagmennyisége: n NaAc m M NaAc = = = NaAc 4,430g g 82,03 mol 0,05400mol Az oldás során felszabaduló/elnyelődő hő: J Q = C ϑfsz2 = ,434 C = 883, C összes 19 J A nátrium-acetát oldáshője: Q 883,19J rh = = = n 0,05400mol só J mol A számított oldáshő negatív, azaz a folyamat exoterm, amit a kaloriméter hőmérséklet emelkedése is jelez.

28 Minta számolás A hiba az első tizedesjegyben jelentkezik kj/mol mértékegységben, így a nátrium-acetát oldáshője: r H 1 = J/mol 16,4 kj/mol Hasonlóan meghatározva az oldáshőt a kristályvizes sóra: r H 2 = kj/mol 19,4 kj/mol A hidratációshő: r H 3 = r H 1 - r H 2 = J/mol J/mol = J/mol 35,7 kj/mol Eredmények megadása: r H 1 = 16,4 kj/mol r H 2 = 19,4 kj/mol r H 3 = 35,7 kj/mol 28