Wstęp teoretyczny:

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie ciepła spalania krystalicznej substancji organicznej. Eksperyment przeprowadza się w tzw. bombie kalorymetrycznej umieszczonej w kalorymetrze diatermicznym. Ćwiczenie obejmuje następujące etapy, które należy przeprowadzić w tym samym kalorymetrze:

1. Wyznaczenie pojemności cieplnej kalorymetru (kalibracja) w oparciu o ciepło spalania substancji wzorcowej.

2. Wyznaczenie ciepła spalania substancji nieznanej.

Ciepło jest jednym ze sposobów przeniesienia energii między układem a otoczeniem. Wymiana ciepła jest spowodowana różnicą temperatur pomiędzy układem i otoczeniem. Z molekularnego punktu widzenia wymiana ciepła jest skutkiem bezwładnych ruchów termicznych cząsteczek. Ciepło dostarczone do układu z otoczenia oznaczamy jako dodatnie, a proces, w którym ciepło pobierane jest z otoczenia nazywamy procesem endotermicznym. Ciepło przeniesione od układu do otoczenia jest ujemne, a proces, w którym ciepło oddawane jest do otoczenia jest procesem egzotermicznym. Ciepło jest funkcją drogi, co oznacza, że jego wartość zależy od sposobu (drogi) osiągnięcia przez układ danego stanu.

Reakcja spalania reakcja łączenia pierwiastka lub związku chemicznego z tlenem, w wyniku czego powstają produkty nie mogące ulec dalszemu spaleniu. Dla związków organicznych zawierających wodór i węgiel produktami tymi są woda i CO₂ (ale nie CO). Jeżeli spalany związek organiczny zawiera także azot i siarkę, to powstają azot cząsteczkowy, N₂ oraz SO₃ (ale nie SO₂). Z powyższej definicji wynika, że termochemiczne spalenie powinno odbywać się w nadmiarze tlenu.

Bomba kalorymetryczna składa się z korpusu (k) i głowicy (g) zamkniętych pierścieniem. Z głowicą połączone są dwie elektrody (p), pomiędzy którymi umieszcza się w tyglu (t) pastylkę wykonaną z badanej substancji. W pastylkę wprasowany jest drut zapłonowy (d), którego wystające końce łączy się z elektrodami (p). Elektrody przechodzą przez głowicę, a ich końce zaopatrzone są w gniazda do przyłączania kabla zapłonowego. Ponadto w głowicy znajdują się zawory wlotowy (z1) i wylotowy (z2). Korpus, głowica i pierścień są numerowane. Przy montażu bomby należy zwrócić uwagę, by wszystkie jej części miały ten sam numer. Jak wynika z powyższego opisu spalanie w kalorymetrze przebiega w warunkach stałej objętości, czyli wydzielone w tym procesie ciepło oznaczymy - q_v.

Pojemność cieplną kalorymetru oblicza się z zależności:

K - pojemność cieplna [J/K]

m_kw - masa kwasy benzoesowego [g]

(q_v,sp)_wz - gramowe ciepło spalania kwasu benzoesowego [J/g]

ΔT+∑ϑ - przyrost temperatury z poprawkami [K]

Graficzne wyznaczanie (ΔT+Δϑ)

Stosowane powszechnie kalorymetry diatermiczne nie są idealnie izolowane cieplnie od otoczenia. Możliwa jest zatem wymiana ciepła między kalorymetrem a otoczeniem powodująca zmianę temperatury kalorymetru nawet wtedy, gdy żaden proces w nim nie zachodzi. Na rysunku pokazano przebieg zmian temperatury kalorymetru dla procesu egzotermicznego, gdy temperatura otoczenia jest wyższa od temperatury kalorymetru.

Jak widać w okresie początkowym, czyli przed zapoczątkowaniem badanego procesu temperatura kalorymetru powoli rośnie. Po zapoczątkowaniu procesu (punkt A) wzrost temperatury jest szybki aż do zakończenia procesu (punkt B). Następnie, w okresie końcowym temperatura znowu powoli rośnie. Aby z takiego wykresu poprawnie odczytać przyrost temperatury związany wyłącznie z badanym procesem należy przeprowadzić następującą procedurę graficzną:

1. Rysujemy prostą przechodzącą przez punkty pomiarowe odpowiadające okresowi początkowemu i przedłużamy (ekstrapolujemy) ją w kierunku wzrastającego czasu.

2. Analogicznie rysujemy prostą przechodzącą przez punkty okresu końcowego i ekstrapolujemy ją w kierunku przeciwnym.

3. Następnie przez punkt C, którego rzędna leży w środku pomiędzy temperaturami odpowiadającymi początkowi, T_A, i końcowi, T_B, okresu głównego, prowadzimy prostą prostopadłą do osi odciętych.

4. Prosta ta przecina proste ekstrapolowane w punktach A' i B'. Różnica temperatur odpowiadających tym punktom jest poszukiwanym przyrostem temperatury, czyli (ΔT+Δϑ)=T'_B-T'_A

Gramowe ciepło spalania obliczamy z zależności:

m_subst - masa badanej substancji [g]

K - pojemność kalorymetru [J/K]

Opis doświadczenia

Część I: Wyznaczanie pojemności cieplnej kalorymetru (kalibrowanie kalorymetru)

Aby wykonać kalibrację kalorymetru należy umieścić zważoną wcześniej pastylkę wykonaną z kwasu benzoesowego między elektrodami głowicy bomby kalorymetrycznej. Głowicę umieszczamy w korpusie, a następnie napełniamy go tlenem. Wstawiamy bombę do kalorymetru napełnionego wodą, tak aby końcówki elektrod wystawały ponad powierzchnię. Do elektrod podłączamy kabelki zapłonowe, nakładamy pokrywę, umieszczamy termometr w przewidzianym dla niego gnieździe i uruchamiamy mieszadło. Po odczekaniu 5 minut wykonujemy 10-15 pomiarów temperatury co pół minuty. Po tym czasie zapalamy pastylkę poprzez naciśnięcie przycisku zapłonu, nie przerywając odczytów temperatury. Pomiar przerywamy, gdy zaobserwujemy stałą temperaturę przez 10-15 odczytów.

Część II: Wyznaczanie ciepła spalania nieznanej substancji

Odmierzamy około 1 gram krystalicznej substancji organicznej, której ciepło spalania chcemy wyznaczyć. Pośrodku drutu zapłonowego należy wykonać kilka zwojów, a następnie sporządzić tabletkę za pomocą specjalnej prasy tak, aby wprasować zwoje w tabletkę. Przed umieszczeniem tabletki między elektrodami głowicy bomby kalorymetrycznej należy ją zważyć. Jej masa powinna się zawierać w przedziale 0,7-0,9 g. Następnie wykonać te same czynności, co przy kalibrowaniu kalorymetru.

Część obliczeniowa

1. Na podstawie wyników pomiarów wykonujemy wykresy zmian temperatury w czasie dla substancji wzorcowej (kwas benzoesowy) i substancji badanej (antracen). (na ostatniej stronie sprawozdania)

2. Metodą graficzną wyznaczamy przyrosty temperatur z poprawkami ΔT+∑ϑ

Dla substancji wzorcowej:

Dla substancji badanej:

3. Obliczamy pojemność cieplną kalorymetru:

4. Obliczamy gramowe ciepło spalania antracenu:

Wnioski:

Obliczone ciepło spalania antracenu (-38,325 kJ/g) jest bardzo zbliżone do wartości literaturowej, która wynosi -39,56 kJ/g. Przyczynami rozbieżności może być nieidealna izolacja kalorymetru, większa masa tabletki antracenu niż zalecano w instrukcji, niedokładność w graficznym wyznaczaniu wartości ΔT+∑ϑ zarówno dla kwasu benzoesowego jak i antracenu. Przy obliczeniach nie bierzemy również pod uwagę ciepła spalania drutu zapłonowego.

Porównując ciepła spalania substancji organicznych można zauważyć, że wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej ciepło spalania maleje, tzn. zwiększa się ilość ciepła oddawanego otoczeniu (są to reakcje egzotermiczne).

---