Kiegészítő leírás 05 (2014) SÓK OLDÁSHŐJÉNEK MEGHATÁROZÁSA ANIZOTERM KALORIMÉTERREL A mérést 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 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. COONa (s H2 O feleslegben CH CH 3 COONa CH 3 COONa (aq aq CH 3 COONa 3H 2 O (s H2 O feleslegben CH 3 COONa (aq O feleslegben CH 3 COONa (s 3H 2 O (s CH 3 COONa 3H 2 O (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; víz; nátrium-acetát kristályvízmentes és kristályvíztartalmú módosulata. 2014.01.31. 05kl2014 1
5.1.1. ábra A gyakorlaton használt anizoterm kaloriméter vázlatos rajza A mérés kivitelezésének lépései 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 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. 2. A desztillált vízzel elöblített Dewar-edénybe betöltjük a megadott mennyiségű labor-hőmérsékletű vizet (egy külön műanyag kannában található). 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! 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 adatgyűjtő programot a KALORIMETRIA ikonnal és töltsük ki a megjelenő táblázatot. Az 2014.01.31. 05kl2014 2
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 hőmérséklet-változást. Az elő- és utószakaszokra illesztett egyenesek és a főszakasz közepét jelölő, hőmérséklet tengellyel párhuzamos egyenes metszéspontjának hőmérséklet koordinátáját közvetlenül leolvashatjuk a grafikonról. Amennyiben valamelyik elő- és/vagy utószakaszon az összes mért érték azonos vagyis nincs menete a hőmérsékletnek, nem szükséges az egyenes illesztés, az észlelési adatokból közvetlenül megkapjuk a ϑ -t. 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 2014.01.31. 05kl2014 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. 2014.01.31. 05kl2014 4
4. A mérés relatív hibájának becslésére alkalmas a hőmérő-leolvasási pontosság [ h (ϑ ) ] és a sók oldásakor fellépő hőmérséklet-különbség hányadosa: h( ϑ) h REL. % = 100 (5.1.7.) ϑ ahol h (ϑ ) értéke elektronikus hőmérőnél 0,01 o C. Ebből az oldáshő abszolút hibája a r H h REL. % = 100 képlettel számítható. Ezek a hibák csak a hőmérsékletmérés hibáját veszik figyelembe (a tömeg, a térfogat, az idő, az ellenállás, a feszültség stb. méréséét nem), ezért ez nem használhatók hibahatár megadására. Ezért úgy járunk el, hogy megnézzük meg, hogy melyik jegyben jelentkezik az abszolút hiba első jegye és eddig adjuk meg az oldáshő számértékét. 5. A két oldáshő ismeretében kiszámítjuk a hidratációhőt az (5.1.1.) összefüggés alapján. 6. A 4. pontban leírtak szerint becsült hibákat felhasználva meg tudjuk becsülni, hogy milyen pontossággal adható meg a számított hidratáció. Nézzük meg, hogy melyik jegyben jelentkezik az abszolút hiba az oldáshőknél és a hidratációhőt ezek közül a nagyobb helyiértékig adjuk meg. Az adatok megosztása: Minden mérőhelyen elvégzik a mérés értékelését (kiszámolják a kaloriméter hőkapacitását, a folyamatot kísérő hőváltozás nagyságát és az oldáshőt) és az együttműködő mérőhelyen dolgozóknak átadják a számított oldáshőt és az értékelő grafikont (amelyen az oldás során mért hőmérsékletváltozás nagysága megtalálható). A saját és a kapott adatokból a hidratációshő kiszámítható, a hibaszámítás elvégezhető. V. A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell: a mérőpár neve, a mérőhely száma, az adatgyűjtő file neve; annak megjelölése, hogy melyik só oldását mérték saját maguk, és melyik só adatait veszik át a másik mérőpárostól; a vizsgált sók képlete, moláris tömege, a bemért tömegek (4 értékes jegyre) és a számolt anyagmennyiségek (5 6 értékes jegyre); a saját mérésnél használt kalorifer ellenállása ( Ω ), a fűtőfeszültség nagysága (V) és a fűtés tényleges időtartama (s), a kaloriméter fűtésére fordított energia (J); egy-egy grafikon a két mérés adatainak ábrázolásával feltűntetve a meghatározott hőmérsékleteket; a számolt hőmérsékletváltozások C-ban (4 értékes jegyre); a saját mérésnél használt kaloriméter hőkapacitása a benne lévő vízzel együtt és anélkül, J/ o C vagy J/K egységben; a mérések becsült relatív és abszolút hibája (2 értékes jegyre); a számított oldáshők J/mol (vagy kj/mol) egységben (az értékes jegyek számát a becsült hiba alapján kell megállapítani!); a kristályhidratáció egyenlete és a hidratációhő kj/mol egységben (az értékes jegyek számát a becsült hiba alapján kell megállapítani!). FSZ2 (Szalma József 2010. évi leírása alapján összeállította Takács Mihály 2011. 02., kiegészítette Zsély István 2014.01.) 2014.01.31. 05kl2014 5
BEMÉRÉSI ÚTMUTATÓ VÍZ A méréshez a vizet az erre a célra biztosított műanyag kannából vegyék. A kaloriméterbe bemérendő víz térfogata 400 cm 3, ami 400 g-nak vehető a számítások során. SÓK A 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 eltérés megengedett. M NaAc = 82,03 g/mol M NaAc*3H2O = 136,09 g/mol arány: r = M NaAc*3H2O / M NaAc = 1, 659 FŰTÉS A kalibrációnál 60 70 másodpercig fűtünk, a pontos időtartamot beszéljék meg az oktatókkal. (Szalma József 2010. évi leírása alapján összeállította Takács Mihály 2011. 02., kiegészítette Zsély István 2014.01.) 2014.01.31. 05kl2014 6