Опыт № 1 Установление формул кристаллогидратов

Приборы и реактивы. Техно-химические весы и разновес. Эксикатор. Щипцы тигельные. Тигель. Треугольник фарфоровый. Ступка с пестиком. Баня песочная. Сульфат меди кристаллический (медный купорос), декагидрат сульфата натрия, гексагидрат хлорида кобальта.

 

Кристаллогидраты - это вещества, кристаллизующиеся с одной или несколькими молекулами воды. Некоторые кристаллогидраты при нагревании до определенной температуры теряют только поду, а разложение вещества происходит при более высокой тем­пературе. В частности, кристаллогидрат сульфата меди теряет полностью кристаллизационную воду при температуре 258 ⁰С, превращаясь в безводную соль; разложение безводного сульфата меди начинается при 653 °С.

Выполнение работы. Прокалить фарфоровый тигель, охладить его в эксикаторе и взвесить на техно-химических весах с точностью до 0,02 г. Насыпать в тигель около 1/2 объема ци­линдрической пробирки (около 1—1,3 г) растертого в порошок кристаллогидрата сульфата меди или сульфата магния и взвесить его, пользуясь теми же весами и разновесом. Вычислить массу взятой соли. Поставить тигель с солью на песочную баню и нагре­вать 30—40 мин при температуре 240—260 °С. При работе с суль­фатом меди наблюдать за изменением цвета соли. По окончании обезвоживания (сульфат меди при этом полностью побелеет) снять тигель щипцами с песочной бани, поставить в эксикатор и оста­вить там на 10—20 мин до полного охлаждения.

Почему нельзя тигель с солью охлаждать на воздухе?

Остывший тигель вынуть из эксикатора и взвесить.

Поставить тигель вторично на песочную баню и нагревать еще 10—15 мин, после этого тигель снова охладить в эксикаторе и взвесить. Повторять нагревание и взвешивание тигля до тех пор, пока разница показаний двух последних взвешиваний будет не более 0,02 г.

Запись данных опыта и расчет. Все наблюдения и измерения записать в лабораторный журнал:

Масса тигля, т₁ г.

Масса тигля с кристаллогидратом, т₂, г.

Масса кристаллогидрата, т₃ = т₂-m₁, г.

Масса тигля с солью после первого, второго и третьего прока­ливания, т'₄, г; m''₄, г; m'''₄, г. 

 

  Опыт № 2 Определение атомной массы металла по его теплоем­кости

Для повышения температуры различных веществ на одно и то же число градусов требуются различные количества теплоты. Для того чтобы можно было сравнивать вещества по их способности повышать температуру при подведении теплоты, пользуются количественной мерой, называемой теплоемкостью.

Теплоемкость — это отношение количества теплоты, получае­мой веществом при нагревании (или отдаваемой при охлажде­нии), к соответствующему изменению температуры вещества. Если теплоемкость относится к 1 г вещества, то она называется удельной теплоемкостью, если к 1 моль вещества — это моль­ная теплоемкость.

Мольная теплоемкость многих кристаллических металлов при комнатной и более высоких температурах равна ≈26 Дж/К∙моль. Это есть эмпирическое правило Дюлонга и Пти. Так как мольная теплоемкость равна произведению удель­ной теплоемкости (в Дж/к∙г) на атомную массу, то из правила Дюлонга и Пти следует, что, определив удельную теплоемкость металла и разделив число 26 на ее значение, получим величи­ну, близкую к атомной массе элемента:

 

А=26/С_уд

 

Определение удельной теплоемкости металла не тре­бует высокой точности, так как правило Дюлонга и Пти очень приближенно. Поэтому в эксперименте в качестве калориметра можно воспользоваться двумя-тремя стаканами, свободно встав­ленными друг в друга. Чтобы стаканы не соприкасались, их нужно отделить друг от друга корковыми пробками, поролоном, пенопластом или слоями бумаги. Емкость внутреннего стакана 150—250 мл. Внешний стакан закройте крышкой (из дерева, пенопласта или толстого картона) с отверстием для термометра. Термометр опускается во внутренний стакан так, чтобы часть шкалы выше +20°С находилась снаружи, над крышкой. Чтобы термометр не касался.дна стакана, на него наденьте кольцо от резинового шланга, ограничивающее его продвижение в крышке.

Приготовьте кусок металла таких размеров, чтобы он поме­щался во внутренний стакан и не занимал более чем третьей части высоты стакана. Масса металла около 50 г (но она мо­жет сильно отличаться в зависимости от плотности металла, например у магния или свинца). Взвесьте металл с точностью до 0,1 г. Обвяжите его тонкой ниткой, оставив 30—40 см сво­бодными.

Как Вы поступите, если у Вас имеется металл в виде по­рошка, опилок или стружек? Найдите выход.

Налейте во внутренний стакан точно отмеренное количество воды (150—200 мл) или же, налив в него воду, взвесьте стакан с водой и определите массу воды. Поставьте стакан с водой во внешний стакан и опустите в воду термометр.

В другой стакан емкостью 400—500 мл налейте 250—300 мл воды, опустите в нее металл, обвязанный ниткой, за которую металл можно вынуть. Нагрейте воду до кипения и оставьте ее при слабом кипении на несколько минут, чтобы металл приобрел температуру воды. Отметьте температуру воды во внут­реннем стакане калориметра, t₁.

Металл из кипящей воды (t=100°С) быстро перенесите в воду внутреннего стакана калориметра. Непрерывно следите за показаниями термометра и отметьте самую высокую темпе­ратуру, которая будет достигнута водой за счет ее нагревания металлом, t₂.

Далее эксперимент может быть закончен или продолжен в зависимости от желаемой точности результатов.

Для получения приближенного значения теплоемкости мож­но ограничиться полученными данными и приступить к вычис­лениям.

Введем обозначения:

m₁ — масса металла, г;

m₂ — масса воды во внутреннем стакане, г;

См — удельная теплоемкость металла, Дж/К∙г;

С_Н2O =4,184 Дж/К∙г — удельная теплоемкость воды.

Количество теплоты, отданное металлом воде внутреннего стакана, равно

q₁ = m₁C_M(100—t₂);

количество теплоты, полученное водой внутреннего стакана, равно

q₂ = m₂C_H2O(t₂—t₁);

количества отдаваемой и получаемой теплот должны быть равны, q₁ — q₂, и тогда

m₁C_M(100—t₂)= m₂C_H2O(t₂—t₁),

Отсюда легко найти значение См (Дж/К∙г).

Можно учесть теплоемкость стекла внутреннего ста­кана, предположив, что он весь нагрелся до температуры t₂ по­сле того, как в воду внесли нагретый кусок металла. Теплоем­кость стекла примем равной С_ст = 0,79 Дж/К∙г.

Взвесьте сухой внутренний стакан с точностью до 0,1 г. Обозначим его массу т₃. Тогда количество теплоты, полученное стаканом, равно

q₃ = m₃C_ст(t₂—t₁).

Дальнейший расчет проводится так же:

т₁С_т (100 —t₂) =m₂C_H2O(t₂ — t₁) +т₃С_ст (t₂ — t₁).

Отсюда легко найти значение С_м. Подсчитайте его и сравните с предыдущим.

Выше Вам предлагалось придумать способ определения теплоемкости металлического порошка. Его можно насыпать в маленькую колбочку или бюкс и, зная массу стекла, вне­сти в формулу соответствующую поправку.

Ознакомьтесь еще с одним способом приближения к более точным результатам, основанным на определении так на­зываемого водного числа (или водяного эквивалента) калори­метра. Под водным числом понимают количество воды, которое нагревается на 1 °С тем же количеством теплоты, что и сам калориметр, Обозначим его т_К.

Определите водное число использованного Вами калоримет­ра. Измерьте объем куска металла, предназначенного для оп­ределения теплоемкости. Это нужно для того, чтобы объем приливаемой в калориметр воды при определении водного чис­ла был равен объему металла (почему?).

Нагрейте воду, объем которой равен объему изучаемого ме­талла, до температуры 50 – 70°С (измерьте термометром) в от­дельном стаканчике и быстро перелейте в калориметрический стакан, содержащий такое же количество воды, которое исполь­зуется в эксперименте с металлом. Температура этой воды должна быть известна (близка или равна комнатной). Осто­рожно перемешайте термометром и отметьте максимальную температуру воды в калориметрическом стакане.

Рассчитайте водное число калориметра т_к. Некоторые обо­значения остались прежними:

т₂ — масса воды в калориметре до начала опыта, г;

t₁, — начальная температура воды, ⁰С;

m₃ — масса воды (объем ее равен объему металла), г;

t₃ — температура воды до смешения ее с водой калоримет­ра, °С;

t₂ — окончательная (максимальная) температура воды в ка­лориметре после сливания, ⁰С.

Количество теплоты, отданное водой, равно

q₁=(m₂+m_K) ∙C_H2O(t₂ –t₁);

количество теплоты, полученное калориметром, содержащим на­чальные количества воды и водное число, равно

q₂= (m₂ — m_k)∙ С_Н2О (t₂ — t₁);

как и раньше, q₁=q₂, и тогда

m₃С_H2O(t₃ — t₂) =(m₂+ m_k) ∙ С_Н2О (t₂ — t₁).

Отсюда легко вычислить водное число m_k. Полученные ранее данные пересчитайте с учетом водного числа калориметра.

Обозначения прежние:

m₁— масса металла, нагретого до 100°С, г;

С_м — удельная теплоемкость металла, Дж/К∙г;

m₂— масса воды во внутреннем стакане калориметра, г;

t₁ — начальная температура воды, °С;

t₂ — температура воды после внесения нагретого металла, °С.

Количество теплоты, отданное металлом воде, равно

q₁ = m₁C_M(100 – t₂);

количество теплоты, полученное калориметром и водой, равно

q₁= (m_K+m₂)C_H2O(t₂ –t₁);

при тепловом равновесии q₁=q₂, и тогда

m₁C_M(100 – t₂) = (m_K+m₂)C_H2O(t₂ –t₁).

Отсюда, зная вычисленное ранее водное число калориметра, определяем теплоемкость металла.

Проведите эксперимент с определением водного числа кало­риметра и проделайте расчет теплоемкости тремя выше рас­смотренными способами. Найдите по справочным данным теп­лоемкость исследованного металла и вычислите относительную ошибку каждого эксперимента.

Имеется и другой способ проведения той части эк­сперимента, в которой учитываются потери теплоты калоримет­рической системой определяется так называемое тепловое зна­чение калориметра. Оно равно тому количеству теплоты, кото­рое необходимо на нагревание калориметра с его содержимым на 1°С. Тепловое значение — это средняя теплоемкость всей калориметрической системы.

Часто используют другой способ — определяют теп­лоту растворения соли в данном калориметрическом сосуде и по известному (из справочника) значению теплоты растворения вычисляют тепловое значение калориметра. Наиболее просто найти тепловое значение калориметра внесением в него извест­ного количества воды (например, 100 мл), нагретой до извест­ной температуры (50—70°С), и измерением ее температуры после охлаждения в калориметре. Вместо воды можно взять ку­сок металла известной массы и теплоемкости и нагретый до не­которой температуры.