05 SÓK OLDÁSHŐJÉNEK MEGHATÁROZÁSA ANIZOTERM KALORIMÉTERREL Kiegészítő leírás (2019) A mérést alapvetően a Szalma Láng Péter: Alapvető fizikai kémiai mérések és a kísérleti adatok feldolgozása c. jegyzet alapján végezzük (5.1. mérés, 97-105. oldalak). Mérési feladat: Nátrium-acetát kristályvízmentes és kristályvíztartalmú módosulata oldáshőjének mérése, a só hidratációhőjének meghatározása. A jég olvadáshőjét (jegyzet 101. oldal II.b mérés) nem mérjük, értelemszerűen az ezen mérésre vonatkozó kiértékelés sem kell (pl. 105. oldal 5.pont). Alább olvasható a mérés aktualizált menete, ami a felesleges részeket már nem tartalmazza. Az elméleti rész a fent említett jegyzetből olvasandó el! 5.1.1. Mérés anizoterm kaloriméterrel II. Mérési feladat: Nátrium-acetát kristályvízmentes és kristályvíztartalmú módosulata oldáshőjének mérése, a hidratációhő meghatározása. CH 3 COONa s CH 3 COONa 3H 2 O s s H2 O feleslegben CH CH 3 COONa aq s H2 O feleslegben CH aq CH 3 COONa aq aq CH 3 COONa s 3H 2 O s CH 3 COONa 3H 2 O s s s s Hess-tételét felhasználva: (5.1.1.) III. A mérés kivitelezése Mérőberendezés A gyakorlaton használt kaloriméter alapja egy Dewar-edény (termosz), melynek kettős ezüstözött üvegfala között vákuum van a jó hőszigetelés érdekében. Az edénybe üvegcsőbe zárt elektromos fűtőszál (kalorifer) merül, amely a hőkapacitás meghatározásához szükséges. A reakcióelegyet mágneses keverővel egyenletesen keverjük. A hőmérsékletet elektronikus hőmérővel mérjük, amely a hőmérséklettel arányos ellenállás jelet szolgáltat. A dugóval alulról zárt üvegcső (mintatartó) és a hozzá tartozó üvegbot az oldandó só bejuttatását szolgálja. A berendezés vázlatos rajzát az 5.1.1. ábra mutatja. Eszközök, vegyszerek Dewar-edény tartozékokkal: zárófedő, üvegcsőbe zárt kalorifer, 600 cm 3 -es főzőpohár a zárófedő és kalorifer tartására a mérés előkészítése során; mintatartó cső, dugóval, üvegbot a só bejuttatásához; mágneses keverő keverőbabával; áramforrás a kalorifer fűtéséhez; elektronikus hőmérő; hőfokszabályozós elektromos melegítő (rezsó) a paraffin megolvasztásához; 500 cm 3 -es mérőhenger a desztillált víz bemérésére; mérlegek a víz és a sók tömegének mérésére víz; nátrium-acetát kristályvízmentes és kristályvíztartalmú módosulata. 2019.02.04. 05kl2019 1
A mérés kivitelezésének lépései 5.1.1. ábra A gyakorlaton használt anizoterm kaloriméter vázlatos rajza A gyakorlat során két szomszédos mérőhelyen különböző anyagokkal dolgozunk: az egyiken az adott ionvegyület kristályvízmentes, másikon a kristályvizes módosulatának felhasználásával végezzük el az alábbi (1 5. pontokba szedett) lépéseket. A mérések során úgy járunk el, hogy a szomszédos kaloriméterekbe azonos mennyiségű vizet töltünk, és a bemért sók mennyiségét is úgy állapítjuk meg, hogy a mérés végén keletkező oldatok összetétele néhány százalékon belül megegyezzen (ekvimoláris mennyiségeket mérünk be). Az értékelést KÉT mérőhely adatai alapján végezzük. 1. A desztillált vízzel elöblített Dewar-edénybe betöltjük a megadott mennyiségű, laborhőmérsékletű vizet (egy külön műanyag kannában található). A betöltött víz pontos tömegét visszaméréssel határozzuk meg a nagyobb méréshatárú mérleg segítségével. Behelyezzük az edénybe az elektromos fűtőszálat (kalorifer), a keverőbabát és a hőmérőt. Beindítjuk a keverést, és azt a mérés időtartama alatt egyenletes intenzitással üzemeltetjük. Időnként ellenőrizzük, hogy a keverő szabadon forog-e, csak így lesz egyenletes a hőmérséklet- eloszlás a kaloriméteren belül. A kalorifer csak függőleges helyzetben tartható, lefektetni, fejre állítani tilos, mert kifolyik belőle a hőátadást elősegítő paraffinolaj! 2. A mintatartó csövet gondosan megszárítjuk, és az aljába illesztjük a dugót. Ezután a cső ledugaszolt végét olvasztott paraffinba mártjuk. Ezzel elérhető, hogy a dugó szivárgásmentesen illeszkedjen a csőbe. A tömítésre használt paraffin a mérést nem zavarja. 3. Bemérjük a megadott tömegű, elporított sót és a mintatartót behelyezzük a kaloriméterbe. Az üvegbotot az ábrával ellentétben NE tegyék bele a mintatartóba! 4. Az így összeállított kalorimétert kb. 5 percre magára hagyjuk, hogy beálljon a hőmérsékleti egyensúly. Így legalább az első előszakasz során nem nagyon lesz hőcsere a környezettel. Közben indítsuk el az 2019.02.04. 05kl2019 2
adatgyűjtő programot a KALORIMETRIA ikonnal és töltsük ki a megjelenő táblázatot. Az adatgyűjtés gyakorisága 10 s. A mérés napi sorszámát délelőtt 1-re, délután 5-re állítsuk. Írják be monogramjaikat a mérő neve mezőbe. Az aktuális mérésre vonatkozó megjegyzésbe kerüljön be a mért só neve, tömege, a kalorifer ellenállása, a feszültségforrás feszültsége és a tervezett fűtési idő. 5. Kezdjük meg a hőmérséklet regisztrálását az idő függvényében a mérés menüpont kiválasztásával. 5/a A mérés kezdetén 5 percig észleljük az első előszakaszhoz tartozó hőmérsékletértékeket. 5/b Az első főszakasz során a kalorimétert az áramforrás és az elektromos fűtőszál segítségével fűtjük. Fel kell jegyezni a fűtőáramot vagy feszültséget, a kalorifer ellenállását és a fűtés pontos időtartamát. Az észleléseket természetesen tovább folytatjuk. 5/c A fűtés kikapcsolása után is kb. 5 percig észlelünk, ez lesz az első utószakasz, amely egyben a második főszakasz előszakasza is. Ennek segítségével határozzuk majd meg a rendszer hőmérsékletét a fűtés végén, valamint a második főszakasz kezdetén. 5/d A második főszakaszban üvegbot segítségével a mintatartó aljából óvatosan kinyomjuk a dugót, ezzel bejuttatva az oldandó sót a desztillált vízbe. Az üvegbottal bánjunk különösen óvatosan, nehogy kárt tegyünk a kaloriméterben! A só bejuttatásának és teljes feloldódásának időtartamát tekintjük a második főszakasznak. Az üvegbotot csak a só bejuttatására használjuk, ne hagyjuk a kaloriméterben. 5/e A só teljes feloldódását követően szintén 5 percig észleljük az adatokat, ez lesz a második főszakasz utószakasza. Amennyiben a fűtés ideje eltért a tervezettől az oktató segítségével javítsuk azt a mérési adatfileban. IV. A mérési adatok kiértékelése 1. Ábrázoljuk a hőmérséklet idő értékpárokat mindkét mérésre külön-külön grafikonon. A hőmérsékletváltozások meghatározásának menetét az 5.1.2. ábra szemlélteti. A környezettel történő hőcseréből adódó hibát úgy csökkentjük, hogy a főszakaszok közepénél (féllépcső magasságnál) határozzuk meg a hőmérsékletváltozást. Az elő- és utószakaszokra illesztett egyenesek és a főszakasz közepét jelölő, hőmérséklet tengellyel párhuzamos egyenes metszéspontjának hőmérséklet koordinátáját közvetlenül leolvashatjuk a grafikonról. Írjuk rá ezeket az értékeket ezred C pontossággal a grafikonra. 2. Kiszámítjuk a fűtés során végzett elektromos munkát: 2 U W = t R (5.1.2.) ahol U a fűtő áramforrás feszültsége (V), R a kalorifer ellenállása ( Ω ), t a fűtés időtartama (s). Ennek felhasználásával a kaloriméter hőkapacitása a benne levő desztillált víz és a tartozékok hőkapacitásával együtt (összhőkapacitás): W C összes = (5.1.3.) ϑ FSZ1 2019.02.04. 05kl2019 3
ϑ FSZ2 ϑ FSZ1 5.1.2. ábra A főszakaszokhoz tartozó hőmérséklet-változások leolvasása (a környezettel történő energiacsere korrekcióba vétele) Kiszámítjuk a kaloriméter egyéb részeinek hőkapacitását a betöltött víz hőkapacitása nélkül is: C egyéb = C m c (5.1.4.) ahol m víz a betöltött víz tömege, víz c víz = 4, 185 J/ g C. A kaloriméter egyéb részeinek hőkapacitására külön ugyan nem lesz szükségünk, azonban értékének ismerete a mérési adatok egyfajta ellenőrzését teszi lehetővé, ugyanis C egyéb értéke feltétlenül pozitív kell, hogy legyen. Ezt az ellenőrzést mindkét mérésre külön-külön elvégezzük. összes víz víz c pedig a víz fajhője (fajlagos hőkapacitása); ( ) 3. Kiszámítjuk a második főszakaszban felszabaduló vagy elnyelődő hőt: ( ϑfsz2 = T 4 T 3), majd ebből a só oldáshőjét: Q = C (5.1.5.) összes ϑ FSZ2 Q rh = (5.1.6.) n só Amennyiben a só oldásakor csökken a hőmérséklet, ϑ természetesen negatív előjelű lesz. Az (5.1.5.) egyenletben a negatív előjel azért kell, hogy a vizsgálandó rendszerre vonatkozóan helyesen adódjon az energiaváltozás előjele, mivel a kaloriméter hőmérséklet-változását mérjük. Például exoterm folyamat esetében a kaloriméter hőmérséklete emelkedik (pozitív energiaváltozás), ami a vizsgált folyamatra nézve (pl. oldódás) negatív előjelű energiaváltozást jelent. A számítások során nem szabad megfeledkezni ϑ FSZ2 előjeléről! 2019.02.04. 05kl2019 4
4. két oldáshő ismeretében kiszámítjuk a hidratációhőt az (5.1.1.) összefüggés alapján. 5. A mérés során nagyon sok mennyiséget határozunk meg, illetve használunk (hőmérsékletek, tömegek, térfogatok, idők, ellenállások, feszültségek), amelyek hibával terheltek. A számítások szerint az oldáshő hibája kj/mol mértékegység használata esetén a tizedes jegyben jelentkezik. Ezért ezeket a mennyiségeket, valamint a hidratációs hőt 0,1 kj/mol pontossággal adjuk meg. Az adatok megosztása: Minden mérőhelyen elvégzik a mérést és grafikon elkészítését. 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. V. A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell: A mérés végén a jegyzőkönyvben szerepelni kell: a saját mérési adatfájl neve, melyik sót mérték, a másik sót mérők neve, mérési adatfájljuk neve a berendezéshez tartozó U, R értékek mindkét mérőhelyre a fűtés ideje mindkét mérésnél a bemért víz tömege (és számítása) mindkét mérésnél a só minősége, tömege (és számítása) mindkét mérésnél a két só anyagmennyisége (és számítása, a kristályvizesre a kalkulált és a tényleges érték is (5-6 értékes jegyre)) Az értékelés során beadandó: a jegyzőkönyvben kézzel szereplő fenti információk szerepeljenek a számítógépes értékelési részben is a vizsgált sók képlete Mindkét mérésre: grafikon a mért hőmérséklet-idő függvény ábrázolásával feltűntetve a meghatározott hőmérsékleteket a számolt hőmérsékletváltozások C-ban (3 tizedes jegyre) a kaloriméter fűtésére fordított energia (J) és számítása a kaloriméter hőkapacitása a benne lévő vízzel együtt és anélkül, J/ o C vagy J/K egységben a számított oldáshők kj/mol egységben (tizedesre kerekítve) a kristályhidratáció egyenlete és a hidratációhő kj/mol egységben (tizedesre kerekítve) Kérjük a számított oldáshők és hidratációs hő kiemelését aláhúzással vagy kövérítéssel! (Szalma József 2010. évi leírása alapján összeállította Takács Mihály 2011. 02., kiegészítette Zsély István 2014.01., 2019.01.) 2019.02.04. 05kl2019 5
BEMÉRÉSI ÚTMUTATÓ A kaloriméterbe bemérendő víz térfogata 400 cm 3. Pontos tömegét a NAGYOBB MÉRÉSHATÁRÚ mérlegen VISSZAMÉRÉSSEL határozzuk meg és ezt az értéket használjuk a számítások során. SÓ OLDÁSHŐJÉNEK MÉRÉSE: A kalibrációnál kb. 60-70 másodpercig fűtünk (a pontos időtartamot beszéljék meg az oktatókkal) Bemérendő vízmentes só tömege: (4-5) g a kristályvizes só tömege: a vízmentessel ekvimoláris. A kristályvizes só bemérésénél a számítotthoz képest 0,02-0,04 g (2-4 cg) eltérés már megengedett. Természetesen az anyagmennyiségeket mindkét sóra különkülön ki kell számítani (6 értékes jegyre). MNaAc = 82,03 g/mol MNaAc*3H2O = 136,09 g/mol arány: 1,6590 2019.02.04. 05kl2019 6