1. gy. SÓ OLDÁSHŐJÉNEK MEGHATÁROZÁSA Kalorimetriás mérések A fizikai és kémiai folyamatokat energiaváltozások kísérik, melynek egyik megnyilvánulása a hőeffektus. A rendszerben ilyen esetekben észlelhető hőeffektus két féle lehet: hő felszabadulásával járó (exoterm, rh<0), vagy hőelnyeléssel járó (endoterm, rh<0, ). A hő (Q) kizárólag a hőmérséklet-különbség hatására, munka nélkül, a rendszer határán átmenő energia. A hő nem állapotfüggvény: értéke függ attól a termodinamikai úttól, amelyen a rendszer a kezdeti állapotból a végső állapotba jut. A kalorimetriás mérések célja általában: tiszta anyagok (elemek és vegyületek), elegyek és oldatok hőkapacitásának meghatározása, e rendszerek fázisátalakulásának vizsgálata, illetve fizikai-kémiai folyamatok (oldás, hígítás, elegyedés, adszorpció stb.) reakcióhőjének meghatározása. A folyamatok hőeffektuson alapuló követését kalorimetriának nevezzük, ahol a hőmennyiség kísérleti meghatározása kaloriméterben történik. A kalorimétereket működési elvük alapján két csoportba soroljuk: izotermikus és adiabatikus kaloriméterek. Az izotermikus kaloriméterek működése azon az elven alapszik, hogy a mérendő hő a kaloriméterben lévő megfelelő anyag (pl. 0 C-os jég) bizonyos mennyiségének megváltoztatja a halmazállapotát, de eközben a rendszer hőmérsékletét állandó értéken tartjuk. Ismerve a fázisátalakulás egyensúlyi entalpiaváltozását (pl. a jég olvadáshőjét), és megmérve az átalakult anyag mennyiségét, a kaloriméterbe bevitt hőmennyiség meghatározható. Az adiabatikus kaloriméterek a környezettől elszigetelt edények, amelyekben a munkafolyadék (leggyakrabban víz) hőmérséklete a benne lejátszódó hőátadási folyamatnak megfelelően megváltozik és ez a változás arányos a meghatározandó hő nagyságával. Az adiabatikus kaloriméter ismert mennyiségű munkafolyadékának a hőkapacitása (C ) és a tartozékok (kaloriméteredény, hőmérő, keverő stb.) hőkapacitása ( C i ) képezi a kaloriméter összes hőkapacitását (C), amit kaloriméterállandónak nevezünk. Ezt ismerni kell, hogy a mérendő hő mennyiségét meghatározhassuk. 1
A kaloriméterállandó meghatározása úgy történik, hogy a kaloriméterrel ismert nagyságú Q hőt közlünk és mérjük az eközben a kaloriméterben fellépő és annak a hőmérőjén leolvasható hőmérséklet-változást. Az adatokból a kaloriméterállandó a ' C Q ' összefüggéssel számítható. Ismert nagyságú hő közlésére leggyakrabban elektromos kalorifer használatos, ami egy elektromos fűtőtest. Az R ellenálláson U feszültség és I áramerősség esetén t idő alatt fejlődő hőmennyiség a Q = U? I? t J összefüggéssel számítható ki. A kaloriméter hőkicserélődési diagramja mind az ismert nagyságú hő közlésénél, mind pedig a mérendő folyamatnál három részre tagolható: az előperiódusra, ahol a hőmérséklet percenkénti leolvasása kb. 10 percig tart, a főperiódusra, amelynek az időtartama 3 perc és a hőmérséklet leolvasás gyakorisága fél perc, valamint az utóperiódusra, ahol a hőmérsékletet szintén percenként olvassuk le 10 percen keresztül. Az első utóperiódus egyben a második kísérlet előperiódusa is. A hőkicserélődési diagram (1. ábra) grafikus kiértékelésével határozzuk meg azokat a hőmérséklet-változásokat, amelyek az egyes folyamatokban bekövetkeztek.? skála 2 a ' 1 b t 1 t 2 Idő 1. ábra: Kaloriméter hőkicserélődési diagramja 2
Só oldáshőjének meghatározása Sók vízben történő oldódását mindig hőeffektus, entalpiaváltozás kíséri. Attól függően, hogy a kristályrács szétbontásához szükséges energiát milyen mértékben fedezi az oldódással együtt járó hidratáció, vagy szolvatáció, az oldáshő endoterm, vagy exoterm folyamat. Egységnyi tömegű anyagnak adott oldószerben történő feloldódását kísérő hőmennyiséget nevezzük fajlagos oldáshőnek, vagy egységnyi kémiai anyagmennyiség ű anyag adott oldószerben történő feloldódását kísérő hőmennyiséget pedig moláris oldáshőnek nevezzük. Mértékegysége: J/g, vagy J/mol. Az oldáshő nagysága függ a keletkező oldat koncentrációjától is. A mérési feladat: 1. Határozza meg a kaloriméter állandót! 2. Határozza meg adott só fajlagos és moláris oldáshőjét! A gyakorlat kivitelezése: A só oldáshőjének mérésére szolgáló készüléket a 2. ábrán látható módon összeszereljük. Az adiabatikus kaloriméterként szolgáló hőpalackba betöltünk 600 cm 3 vizet, a fedélbe behelyezzük a keverőt és ráhelyezzük az edényre. A fedél nyílásain keresztül behelyezzük a Beckmann-hőmérőt, a kalorifert és az alul bedugaszolt üvegcsővel együtt a finomra porított 10,0 g sót. Beckmann-hőmérő Állvány Keverő Voltmérő Tápegység Vezeték Üvegbot Fedél Ampermérő Elektromos kalorifer Hőpalack Desztillált víz Üvegcső Só Gumidugó 2. ábra: A készülék összeállítási rajza 3
A mérés két részfeladatra bontható: a./ ismert nagyságú bevitt hő (Q ) hatására bekövetkező hőmérséklet-változás ( ), valamint a C kaloriméterállandó meghatározása, és b./ a bemért só oldódását kísérő hőmérséklet-változás ( ) meghatározása. Állandó keverés közben megkezdjük az előperiódus észlelését, percenkénti hőmérséklet leolvasással 10 percen keresztül, majd a 11. perc kezdetén a 12 V-os tápegység bekapcsolásával megkezdjük a hőközlést a kaloriferrel. Ez idő alatt - az ún. főperiódusban - a Beckmann-hőmérő skáláját félpercenként olvassuk le. A harmadik perc leteltével a fűtést kikapcsoljuk és a keverést tovább folytatva még 10 percen át az utóperiódusban feljegyezzük a hőmérő skála- értékeit. Ez az intervallum egyben a második kísérlet előperiódusa is. A 10. perc elteltével ugyanis bejuttatjuk a vizsgált sót a desztillált vízbe úgy, hogy óvatosan kitoljuk a sót tartalmazó üvegcsövet alul lezáró gumidugót, majd 3 percen át félpercenként a hőmérő leolvasásával folytatjuk a második főperiódus észlelését. A keverést tovább folytatva még 10 percen keresztül figyeljük a hőmérséklet-változást az utóperiódusban. A mérési adatok kiértékelése: Az észlelt adatok alapján felrajzoljuk a kettős hőkicserélődési diagramot és megszerkesztjük a és hőmérséklet-változásokat. A 3. ábra bemutatja a kettős hőkicserélődési diagramot. τ skála 2 a ' 1 b t 1 t 2 Idő 3. ábra: A hőkicserélődési diagram endoterm oldáshő esetén Az ábra bal oldali része a kaloriferrel közölt hő hatására bekövetkező hőmérséklet-növekedést ( τ ), a jobb oldali része a sóoldódás által előidézett hőmérséklet-csökkenést ( τ) mutatja be az idő függvényében. A két hőmérséklet-változásból számítjuk ki a kaloriméter-állandót /C/ és a só fajlagos és moláris oldáshőjét (oldódási entalpia-változását) q, Q m = old H m. 4
1. A kaloriméter-állandó meghatározása A kaloriferrel bevitt Q hőmennyiséget a kísérlet t ideje (3 min) alatt mért feszültség (U) és áramerősség (I) értékéből számítjuk ki: Q ' U I t, J. E hőmennyiség által előidézett hőmérséklet-változást úgy állapítjuk meg, hogy az elő- és az első utóperiódus görbeszakaszára egy-egy érintő-egyenest illesztünk. Az érintők a görbeszakaszoktól a t 1 és a t 2 időponthoz tartozó skálaértékeknél ( 1, 2 ) kezdenek eltérni. E két skálaérték számtani középértékénél az abszcisszával (idő tengellyel) párhuzamost húzunk, a görbével való metszéspontban erre merőlegest állítunk. Ez a merőleges a két érintő-egyenest a és b skálaértéknél elmetszi. A e két skálaérték különbségeként adódik o C-ban. A kaloriméter-állandót a kaloriferrel bevitt hőmennyiségből és az általa okozott hőmérséklet-változásból a ' C Q J/K ' összefüggéssel számítjuk ki. A kaloriméter-állandó fogalmának értelmezéséből és a kaloriméterben lévő anyagok főként a betöltött víz tömegének ismeretében előre, biztonságosan megbecsülhető az a kaloriméter-állandó érték, aminél a helyesen elvégzett kísérlet és számítás eredménye kisebb nem lehet. A feladat leírása szerint végzett gyakorlat esetén C > 2 500 J/K kell, hogy legyen. /Miért is?/ 2. Az oldáshő meghatározása Az adiabatikus kaloriméterben a só oldódás közben endoterm folyamat esetében hőmérséklet-csökkenést, exoterm folyamat esetén pedig hőmérséklet-növekedést idéz elő. A 25.3. ábra jobb oldali része az előbbi esetben észlelt hőmérséklet-változást mutatja be az idő függvényében. /A görbén látható minimum csak akkor jelentkezik, ha a só oldódása közben a keverés nem eléggé intenzív. Ilyenkor az edény alsó terében helyi túlhűlés következik be, amit a kiértékelés során korrigálunk./ A só oldódását kísérő hőmérséklet-változást ( ) a fentebb leírtakhoz hasonló módon határozzuk meg. /Ha a kísérleti adatokból megszerkesztett görbén minimumot észlelünk ami a nem elégséges keverés következménye az érintők megrajzolásánál hagyjuk ezt figyelmen kívül. Lásd az 25.3. ábra jobb oldali része!/ 5
Az üvegcsőbe bemért tömegű só oldódását kísérő Q hőmennyiséget azon az elvi alapon számítjuk ki, hogy a a hőmennyiségek egyenesen arányosak az általuk okozott hőmérsékletváltozásokkal: Q : Q = : Más megfogalmazás szerint a kalorifer által leadott Q hő és az általa okozott hőmérséklet-változás hányadosa megegyezik a só oldódását kísérő Q hőmennyiség és a hatására bekövetkező hőmérséklet-változás hányadosával: Q ' Q ' Innen a só oldáshője a hőmérséklet-változás és a kaloriméter-állandó szorzata: Q Q C. A Q értékéből a bemért só m tömegének ismeretében számítható ki a fajlagos oldáshő, ami egységnyi tömegű só feloldódása közben felszabaduló (exoterm folyamat), vagy egységnyi tömegű só oldódásához szükséges, a rendszerrel közölt (endoterm folyamat) hő: Q q, J/g m ill. a só moláris tömegének ismeretében számítható a moláris oldáshő, mely egységnyi anayagmennyiségű só oldását kísérő hőmennyiség-változás, állandó nyomáson entalpiaváltozás: Q m q M H J/mol só old m, 6
Név:... Tcs:... Dátum:... SÓ OLDÁSHŐJÉNEK MEGHATÁROZÁSA Észlelési- és eredménylap 1. KISÉRLETI ADATOK A vizsgált só:... A bemért víz mennyisége:... dm 3 ( kg) hőmérséklete:... o C A kalorifer áramerőssége:... A feszültsége:... V a melegítés időtartama:... s a leadott hőmennyiség: Q =... J A kaloriméter állandója: C =... J. K -1 A Beckmann-hőmérőn leolvasott skálaértékek 1.Előperiódus 1. Főperiódus 1.Utóperiódus 2. Főperiódus 2. Utóperiódus 2.Előperiódus Idő Skála Idő Skála Idő Skála Idő Skála Idő Skála 7
2. SZÁMÍTOTT ADATOK A bemért só tömege: m =... g moláris tömege: M =.....g. mol -1 A keletkezett oldat koncentrációja ( =1,0 g. cm -1 ): B =... g. dm -3 C B =.... mol. dm -3 A kalorifer által okozott hőmérséklet-változás: =... o C A só-oldódás okozta hőmérséklet-változás: =... o C Az oldáshő számítása: Q ', Q A fajlagos oldáshő értéke: q =... J. g -1 A moláris oldáshő értéke: Q m =...... J. mol -1 Melléklet: 1 db hőkicserélődési diagram 8