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 anyagok hőkapacitása oldáshő hidratációs hő 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.

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 Hess tételéből következik, hogy körfolyamatban a részlépések entalpiáinak összege zérus. r H 3 + r H 2 - r H 1 = 0 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.

13 A hibaszámítás Az egyes oldáshők hibáját a hőmérséklet mérés pontosságát (h T leolvasás = 0,01 C) felhasználva a mérés relatív hibáján keresztül becsüljük. h rel % h = T Tleolvasás foszakasz 100 Példa: 0,01 C hrel % = 100 = 1,94 0,515 C = rh h rel % 100 = 19351J/mol 1, = 375 J/mol = 0,375 kj/mol 13

14 A hibaszámítás Ezek a hibák csak a hőmérsékletmérés hibáját veszik figyelembe (a tömeg, a térfogat, az idő, az ellenállás, a feszültség stb. hibáját nem), ezért ez nem használjuk hibahatár megadására. Úgy járunk el, hogy megnézzük meg, hogy melyik jegyben jelentkezik az abszolút hiba első jegye és eddig adjuk meg az oldáshő számértékét J/mol 1,94 = 100 = 375 J/mol = 0,375 kj/mol r H = 19,351kJ/mol r H = 19,4 kj/mol A hidratációs hő számértékét addig a tizedesig adjuk meg, ameddig a pontatlanabb oldáshőt.

15 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.

16 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

17 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

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

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

20 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!

21 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 És hozzájuk ugyanannyi vizet adunk. mérőhengerrel 400 cm 3 víz

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 mérésüket értékelik. Kiszámolják a kaloriméter hőkapacitását, a folyamatot kísérő hőváltozás nagyságát és az oldáshőt. A számított oldáshőt és az oldás során mért hőmérsékletváltozás nagyságát megosztják a másik só oldódását mérő mérőpárral. A saját és a kapott adatokból számítják a hidratációshőt és végzik a hibaszámítást.

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 4,430 g g 82,03 mol NaAc NaAc = = NaAc = M m 0,05400 mol Az oldás során felszabaduló/elnyelődő hő: J Q = Cösszes ϑfsz2 = ,434 C C = 875,05 J A nátrium-acetát oldáshője: Q rh = = n só 875,05J 0,05400mol = J mol A számított oldáshő negatív, azaz a folyamat exoterm, amit a kaloriméter hőmérséklet emelkedése is jelez.

28 Minta számolás htleolvasás 0,01 C hrel % = 100 = 100 = T 0,434 C főőszakasz 2,30 = H h 100 % J/mol 2, = 373J/mol r rel = = 0,373kJ/mol A hiba az első tizedesjegyben jelentkezik kj/mol mértékegységben, így a nátrium-acetát oldáshője: r H 1 = 16,2 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 r H 3 = 35,6 J/mol 28