Экспериментальное определение теплового эффекта

Знание теплового эффекта позволяет рассчитать теплоту любой реакции, даже совершенно невозможной. Так, алмаз при обычных условиях никогда не превращается в графит, но тепловой эффект этой реакции нам известен, он составляет 1,9 кДж/моль. Для расчета теплового эффекта достаточно знать энергии реагентов и продуктов, а проводить эксперимент совершенно необязательно. [16]

На основании законов термодинамики, для измерения теплового эффекта вещества был создан специальный прибор – калориметр.

Калориметр (от лат. calor — тепло и...метр), прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе. Термин «Калориметр» был предложен А. Лавуазье и П. Лапласом (1780).[17]

Схема устройства простейшего калориметра:

1 - внешний сосуд;

2 - термометр;

3 - калориметрический стакан;

4 - мешалка;

5 - вода;

6 - пробирка с веществом, закрытая пробкой. [18]

В данном калориметре идет реакция гидролиза, т. е. растворения соли в воде и реакции обмена между ними.

Изменение теплоты веществ, находящихся внутри реактора, повышает или понижает его температуру. Все изменения температуры регистрируются с помощьютермометра. Простейший калориметр – это сосуд с калориметрической жидкостью, помещенной в оболочку с малой теплопроводностью. Зная теплоемкость калориметра и точно измерив изменение температуры жидкости, можно узнать теплоту процесса, проходящего в калориметре. (При этом важно, чтобы теплота передавалась калориметру или отнималась от него очень быстро, а также учитывать возможность теплообмена с окружающей средой).

Калориметры бывают 2 типов:

1. С постоянной температурой.

Оболочка состоит из плавящегося твердого тела или испаряющегося жидкого. Температура остается постоянной, так как вся выделившаяся или поглощенная теплота идет на изменение АС вещества. В таком случае о тепловом эффекте судят по количеству изменившего свое состояние вещества. Такие калориметры обычно используются, если реакция экзотермическая.

2. С переменной температурой.

Существует два вида таких калориметров:

· Адиабатический. Во время протекания реакции температуру изменяют так, чтобы она постоянно совпадала с температурой реактора. Тогда изменения температуры не происходит, значит, систему можно считать изолированной.

· Диатермический. Закрытая система реактора обменивается теплотой с оболочкой, а в оболочке содержится много воды (вода обладает большой теплоемкостью, поэтому ее температура почти не изменяется). В таком случае теплообмен рассчитывается специальными методами.

Именно калориметры последнего типа используются в большинстве реакций со значительным тепловым эффектом. В случае если нужно измерить Q реакции горения, используют калометрическую бомбу, предложенную М. Бертло.

В калометрической бомбе испытуемое соединение сгорает в кислороде при постоянном объеме, под высоким давлением около 20-30 атмосфер. В таком случае происходит полное сгорание вещества.

Калометрическая бомба состоит из толстостенного цилиндра с помещенной внутрь него чашечкой с веществом, над которой помещают тонкую железную проволочную спираль. По спирали пропускают ток, она сгорает, раскаленная окалина поджигает вещество. При известных H сгорания исходных веществ, рассчитать Q реакции сравнительно легко.

Для учета теплообмена калориметра с окружающей средой и определения истинного изменения температуры во время опыта весь калориметрический процесс делятся на три периода:

· предварительный период, продолжающийся 5 мин;

· главный период - время протекания изучаемого процесса, то есть период, в течение которого будет идти реакция;

· заключительный период, продолжающийся 5 мин.

Очень важно помнить о возможных ошибках и неточностях расчета, связанных в основном с теплообменом с окружающей средой. Во избежание ошибок, нужно проводить реакции как можно быстрее и поддерживать постоянную температуру воздуха в лаборатории.