溶解热的测定Word文档下载推荐.docx
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根据积分溶解热的定义,有:
△solH=
(4)
将(3)式代入,可得:
△solH=
△H1+△H2=n01△H1+△H2(5)
此式表明,在△solH~n0曲线上,对一个指定的n01,其微分稀释热为曲线在该点的切线斜率,即图1中的AD/CD。
n01处的微分溶解热为该切线在纵坐标上的截距,即图1中的OC。
在含有1mol溶质的溶液中加入溶剂,使溶液量由n01mol增加到n02mol,所产生的积分溶解热即为曲线上n01和n02两点处△solH的差值。
本实验测硝酸钾溶解在水中的溶解热,是一个溶解过程中温度随反应的进行而降低的吸热反应,故采用电热补偿法测定。
实验时先测定体系的起始温度,溶解进行后温度不断降低,由电加热法使体系复原至起始温度,根据所耗电能求出溶解过程中的热效应Q。
(6)
式中,I为通过加热器电阻丝(电阻为R)的电流强度(A),V为电阻丝两端所加的电压(V),t为通电时间(s)。
三、仪器和试剂
1.仪器
SWC-RJ一体式溶解热测量装置(如右图,具体参数为:
加热功率:
0~12.5W可调;
温度/温差分辨率:
0.01℃/0.001℃;
计时时间范围:
0~9999S;
输出:
RS232C串行口)
称量瓶8只,毛刷1个,电子分析天平,台秤
2.试剂
四、实验步骤
1.称样
取8个称量瓶,先称空瓶,再依次加入约为2.5、1.5、2.5、3.0、3.5、4.0、4.0、4.5g的硝酸钾(亦可先去皮后直接称取样品),粗称后至分析天平上准确称量,称完后置于保干器中,
在台天平上称取216.2g蒸馏水于杜瓦瓶内。
具体数据记录见五中,称量瓶洗净吹干后,一定要称量空瓶的质量,由于没有保干器,所以称量以后要马上盖上盖子。
蒸馏水称量了218.2g。
2.连接装置
如右图所示,连接电源线,打开温差仪,记下当前室温。
将杜瓦瓶置于测量装置中,插入探头测温,打开搅拌器,注意防止搅拌子与测温探头相碰,以免影响搅拌。
将加热器与恒流电源相连,打开恒流电源,调节电流使加热功率为2.5瓦,记下电压、电流值。
同时观察温差仪测温值,当超过室温约0.5℃时按下“采零”按钮和“锁定”按钮,并同时按下“计时”按钮开始计时。
当前室温是15.6℃,注意要放入搅拌子。
当显示温度超过室温0.5℃后,按下“状态转换”按钮,系统自定采零并开始计时,加热功率为2.30W左右。
3.测量
将第一份样品从杜瓦瓶盖口上的加料口倒入杜瓦瓶中,倒在外面的用毛刷刷进杜瓦瓶中。
此时,温差仪显示的温差为负值。
监视温差仪,当数据过零时记下时间读数。
接着将第二份试样倒入杜瓦瓶中,同样再到温差过零时读取时间值。
如此反复,直到所有的样品全部测定完。
采零后要迅速开始加入样品,否则升温过快可能温度回不到负值。
加热速度不能太快也不能太慢,要保证温差仪的示数在-0.5℃以上。
具体数据记录见五中。
4.称空瓶质量
在分析天平上称取8个空称量瓶的质量,根据两次质量之差计算加入的硝酸钾的质量。
实验结束后,打开杜瓦瓶盖,检查硝酸钾是否完全溶解。
如未完全溶解,要重做实验。
倒去杜瓦瓶中的溶液(注意别丢了搅拌子),洗净烘干,用蒸馏水洗涤加热器和测温探头。
关闭仪器电源,整理实验桌面,罩上仪器罩。
具体数据记录见五中,打开杜瓦瓶盖发现KNO3已完全溶解,证明实验成功。
五、数据记录和处理
室温15.6℃大气压力(kPa):
102.80
1.数据记录
本实验记录的数据包括水的质量、8份样品的质量、加热功率以及加入每份样品后温差归零时的累积时间。
称量瓶号
空瓶质量/g
KNO3+瓶/g
剩余瓶重/g
加热功率/W
归零时间/s
1
6.0255
8.5033
6.0274
2.31
392
2
6.3495
7.8484
6.3515
615
3
6.6109
9.2372
6.6118
1016
4
6.7392
9.8224
6.7401
1462
5
6.3522
10.1798
6.3529
1997
6
6.5809
10.8726
6.5817
2583
7
6.1969
10.4015
6.1982
3122
8
6.6755
11.3035
6.6770
3671
2.将数据输入计算机,计算n水和各次加入的KNO3质量、各次累积加入的KNO3的物质的量。
根据功率和时间值计算向杜瓦瓶中累积加入的电能Q。
n水=218.2/18.016=12.1molMKNO3=101.10g/mol
加入KNO3/g
累积KNO3/g
累积nKNO3/mol
累积电能/kJ
2.4759
0.02449
0.9050
1.4969
3.9728
0.03930
1.4210
2.6254
6.5982
0.06526
2.3481
3.0823
9.6805
0.09575
3.3778
3.8269
13.5074
0.13360
4.6326
4.2909
17.7983
0.17605
5.9928
4.2033
22.0016
0.21762
7.2431
4.6265
26.6281
0.26338
8.5168
3.绘制ΔsolH~n0曲线
用以下计算式计算各点的ΔsolH和n0:
ΔsolH=
(7)
n0=
(8)
瓶号
ΔsolH/KJ/mol
36.953
36.161
35.978
35.277
34.674
34.041
33.283
32.336
n0/mol
494.55
308.21
185.58
126.49
90.652
68.797
55.654
45.984
在origin中绘制ΔsolH~n0关系曲线,并对曲线拟合得曲线方程。
使用多项式拟合进行二次拟合,得到如下图:
R-Square(COD)SDNP
----------------------------------------------------0.882710.6325380.00471
可见拟合度并不好,故采用三次拟合
PolynomialRegressionforDATA1_B:
Y=A+B1*X+B2*X^2+B3*X^3
ParameterValueError
------------------------------------------------------------
A30.105990.55534
B10.067440.01047
B2-2.34981E-44.86045E-5
B32.56103E-76.11745E-8
0.978210.3048588.84128E-4
拟合度达到0.98,所以采用三次拟合。
得到的曲线方程为
y=30.10599+0.06744x-2.34981E-4x2+2.56103E-7x3
4.积分熔解热,积分稀释热,微分熔解热,微分稀释热的求算
将n0=80、100、200、300、400代入3中的曲线方程,求出溶液在这几点处的积分溶解热。
积分溶解热值表
n0
80
100
200
300
400
ΔsolH(KJ/mol)
34.1284
34.7563
36.2436
36.1045
35.8756
将所得曲线方程对n0求导,将上述几个n0值代入所得的导函数,求出这几个点上的切线斜率,即为溶液n0在这几点处的微分稀释热:
求得一阶导数方程为
y′=0.06744-4.69962E-4x+7.68309E-7x2
微分稀释热值表
微分稀释热(KJ/mol)
0.03476
0.02813
0.004180
-0.004401
0.002385
利用一元函数的点斜式公式求截距,可得溶液在这几点处的微分溶解热。
微分溶解热值表
微分溶解热(KJ/mol)
31.3476
31.9436
35.4076
37.4247
34.9218
最后,计算溶液n0为80→100,100→200,200→300,300→400时的积分稀释热。
积分稀释热值表
80→100
100→200
200→300
300→400
积分稀释热(KJ/mol)
0.6279
1.4873
-0.1391
-0.2289
六、注意事项
1.实验开始前,插入测温探头时,要注意探头插入的深度,防止搅拌子和测温探头相碰,影响搅拌。
另外,实验前要测试转子的转速,以便在实验室选择适当的转速控制档位。
2.进行硝酸钾样品的称量时,称量瓶要编号并按顺序放置,以免次序错乱而导致数据错误。
另外,固体KNO3易吸水,称量和加样动作应迅速。
3.本实验应确保样品完全溶解,因此,在进行硝酸钾固体的称量时,应选择粉末状的硝酸钾。
4.实验过程中要控制好加样品的速度,若速度过快,将导致转子陷住不能正常搅拌,影响硝酸钾的溶解;
若速度过慢,一方面会导致加热过快,温差始终在零以上,无法读到温差过零点的时刻,另一方面可能会造成环境和体系有过多的热量交换。
5.实验是连续进行的,一旦开始加热就必须把所有的测量步骤做完,测量过程中不能关掉各仪器点的电源,也不能停止计时,以免温差零点变动及计时错误。
6.实验结束后应杜瓦瓶中是否有硝酸钾固体残余,若硝酸钾未全部溶解,则要重做实验。
七、实验讨论
1.固体KNO3易吸水,故称量和加样动作应迅速。
实验书中要求固体KNO3在实验前务必研磨成粉状,并在110℃烘干,而在实验中并没有将样品进行烘干,只是盖上了盖子,故而带来误差。
但考虑到实验是在冬天进行,气候干燥,故此影响不大。
2.为了使KNO3固体在加入杜瓦瓶时不撒出来,可以在加料口出加上一个称量纸卷成的漏斗。
但是这样操作会使一些药品聚集在纸漏斗口处,所以每次加完药品都要抖一抖称量纸,使样品全部进入杜瓦瓶。
3.加入样品速度过快会使磁子陷住而使样品溶解不完全;
加入速度慢则会使体系与环境有较多的热交换,而且可能使温差回不到零点。
所以加样过程中应该先快后慢,即加入新编号瓶子的硝酸钾时应该快速倒入,使其温差迅速回到负值,然后再慢慢加入。
搅拌速率也要适宜,太快可能使KNO3固体溶解不完全;
太慢会因水的传热性差而导致Q值偏低。
4.KNO3固体是否溶解完全是本实验的最大影响因素。
除了上面几个因素之外,还要保证使用的KNO3固体是粉末状的。
所以在加入KNO3固体时,慢慢加入尽量保证温差显示在-0.5℃左右。
但是不可能保证系统与环境完全没有热交换,这也是实验的误差原因之一。
6.KNO3固体的溶解过程是一个吸热过程,所以积分溶解热都大于0。
而高浓度溶液向低浓度稀释也可以看作是一个溶解过程,所以积分溶解热随n0变大而增大,故积分稀释热大于0,微分溶解热也大于0。
当n0变大时,微小的溶质增量引起的热效应越来越小,故微分溶解热也越来越小,但同时积分溶解热变大,故微分稀释热也变大。
但是实验所计算出的数据与上述结论有较大出入,特别是积分、微分稀释热甚至有负值。
这应该是拟合的曲线问题。
2号称量瓶的数据不太准确,使得拟合时使用多项式拟合拟合度更好。
2号称量瓶在操作时加入过快,温差到了-1.0以下,使得得到的Q值偏小。
硝酸钾的积分溶解热曲线更像是具有对数关系,如果采用对数拟合可能结果会更好,但是使用的origin7是破解版,无法使用其非线性拟合功能,做不出对数函数的图。
查阅资料知若采用式(9)进行拟合,结果与实验值也十分接近。
(9)式即为对数函数的泰勒级数展开式的化简。
Y=B0+B1*X1/3+B2*X2/3+B3*X(9)
7.对于溶解过程放热的反应,可以借鉴燃烧焓测定的实验,先测定量热系统的热容量C,再根据反应过程中温度变化ΔT与C之乘积求出热效应。
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- 溶解 测定