Главная | Обратная связь

Различных физико-химических процессов

Измерение тепловых эффектов реакций, физико-химических процессов и теплоемкости веществ и систем разного состава осуществляется в специальных приборах, называемых калориметрами.

Калориметр – это реактор, помещенный в оболочку. Энтальпия веществ, вводимых в реактор, в результате взаимодействия между ними изменяется, и, следовательно, изменяется температура системы. Изменение температуры DТ регистрируется соответствующим прибором.

Схема калориметрической установки представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема установки для определения

тепловых эффектов различных процессов:

1 – калориметрический сосуд; 2 – мешалка;

3 – термометр сопротивления; 4 – крышка;

5 – мультиметр; 6 – воронка; 7 – электронагреватель;

8 – тумблер для включения электронагревателя;

9 – тумблер для включения двигателя мешалки

 

Основной узел ее – калориметрический сосуд 1 с вакуумной оболочкой (сосуд Дьюара) и крышкой 4 из теплоизоляционного материала (органическое стекло). Сосуд снабжен мешалкой 2, обеспечивающей выравнивание температуры по всему объему, термометром сопротивления 3 и электронагревателем 7.

Термометр сопротивления изготовлен из медной проволоки диаметром 0,1 мм, термометрическая чувствительность его составляет 30 Ом/К. Сопротивление термометра, изменяющееся в ходе опыта, фиксируется на цифровом индикаторе мультиметра 5, подключенного в цепь через магазин сопротивлений МСР-60. Электронагреватель изготовлен из медной проволоки диаметром 0,2 мм и может обеспечить при замкнутом тумблере 8 ток 0,5 А и напряжение 50 В за промежуток времени 3 мин, что эквивалентно выделению тепловой энергии примерно 4-5 кДж. Такое количество теплоты обеспечивает повышение температуры калориметра приблизительно на 1 градус.

Величину теплового эффекта Q_p (процесс в калориметре протекает при постоянном давлении) можно вычислить по уравнению

Q_p = С_кDТ

или DН = С_кDТ,

где С_к – средняя теплоемкость калориметрической системы.

Теплоемкость калориметрической системы складывается из теплоемкостей жидкости и соприкасающихся с ней частей калориметра, участвующих в теплообмене: калориметрического сосуда, мешалки, термометра, нагревателя и др.

Для нахождения С_к подводят к исследуемой системе определенное количество теплоты (пропустив через систему электрический ток или осуществив стандартный процесс, тепловой эффект которого известен), измеряют DТ и вычисляют С_к по уравнению

 

.

Калориметрия является одним из точных физико-химических методов исследования. Современные прецизионные калориметрические установки обладают термометрической чувствительностью до 10^-6 К (калориметрическая чувствительность до 10^-3 Дж).

Методика калориметрических измерений

Калориметрические измерения связаны с установлением температурного хода, т. е. зависимости температуры калориметра от времени в течение всего опыта.

Температурный ход делится на три периода – предварительный, главный и заключительный (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Температурный ход калориметрического опыта,
включающего исследуемый процесс (1-й опыт), и определение постоянной калориметрической системы С_к (2-й опыт)

 

Для первого опыта предварительный период ab соответствует установлению в сосуде стационарного режима при работающей мешалке, продолжительность его составляет 2-3 мин.

Температурный ход главного периода bc отражает изменение температуры при проведении исследуемого процесса. Температура в главном периоде повышается в экзотермическом и понижается в эндотермическом процессе. Главный период плавно переходит в заключительный период cd, продолжительность которого составляет 2-3 мин.

Знание температурного хода процесса позволяет графически определить точное изменение температуры в исследуемом процессе. Для этого необходимо продлить прямые ab и cd до пересечения с вертикалью, проведенной через середину главного периода первого опыта. Изменение температуры DT₁ равно длине отрезка mm'. Для второго опыта изменение температуры DT₂ равно длине отрезка nn'.

Экспериментальное определение теплового эффекта включает 2 этапа – получение температурного хода изучаемого процесса и нахождение теплового значения калориметра.

 

Лабораторная работа № 1