溶解热的测定实验报告.docx

溶解热的测定 实验报告姓名/学号：何一白/2012011908 班级：化22 同组实验者姓名：苏剑晓实验日期：2014年12月4日 提交报告日期：2014年12月10日带实验的老师姓名：王溢磊1 引言（简明的实验目的/原理）1.1 实验目的1.测量硝酸钾在不同浓度水溶液的溶解热，求硝酸钾在水中溶解过程的各种热效应。2.掌握量热装置的基本组合及电热补偿法测定热效应的基本原理。3.复习和掌握常用的测温技术。1.2 实验原理物质溶于溶剂中，一般伴随有热效应的发生。盐类的溶解通常包含着几个同时进行的过程：晶格的破坏、离子或分子的溶剂化、分子电离（对电解质而言）等。热效应的大小和符号决定于溶剂及溶质的性质和它们的相对量。在热化学中，关于溶解过程的热效应，需要了解以下几个基本概念。溶解热 在恒温恒压下，溶质B溶于溶剂A(或溶于某浓度溶液)中产生的热效应，用表示。摩尔积分溶解热 在恒温恒压下，1mol溶质溶解于一定量的溶剂中形成一定浓度的溶液，整个过程产生的热效应。用表示。 （1）式中, 为溶解于溶剂A中的溶质B的物质的量。摩尔微分溶解热 在恒温恒压下，1mol溶质溶于某一确定浓度的无限量的溶液中产生的热效应，以表示，简写为。稀释热 在恒温恒压下，一定量的溶剂A加到某浓度的溶液中使之稀释，所产生的热效应。摩尔积分稀释热 在恒温恒压下，在含有1mol溶质的溶液中加入一定量的溶剂，使之稀释成另一浓度的溶液，这个过程产生的热效应，以表示。 （2）式中，、为两种浓度的摩尔积分溶解热。摩尔微分稀释热 在恒温恒压下，1mol溶剂加入到某一浓度无限量的溶液中所发生的热效应，以表示，简写为。在恒温恒压下，对于指定的溶剂A和溶质B，溶解热的大小取决于A和B的物质的量，即 （3）由（3）式可推导得： （4）或 （5）令，（5）改写为： （6）（6）式中的可由实验测定，由实验中所用的溶质和溶剂的物质的量计算得到。作出曲线，见图2-3-1。曲线某点（）的切线的斜率为该浓度下的摩尔微分稀释热（即），切线与纵坐标的截距，为该浓度下的摩尔微分溶解热（即OC）。显然，图中点的摩尔溶解热与点的摩尔溶解热之差为该过程的摩尔积分稀释热（即BE）。图 1 solHm-n0图由图2-3-1可见，欲求溶解过程的各种热效应，应当测定各种浓度下的摩尔积分溶解热。本实验采用累加的方法，先在纯溶剂中加入溶质，测出溶解热，然后在这溶液中再加入溶质，测出热效应，根据先后加入溶质总量可求出，而各次热效应总和即为该浓度下的溶解热。本实验是采用绝热式测温量热计，它是一个包括杜瓦瓶、搅拌器、电加热器和测温部件等组成的量热系统。装置及电路图如图2-3-2所示。因本实验测定KNO3在水中的溶解热是一个吸热过程，热量的标定可用电热补偿法，即先测定体系的起始温度，溶解过程中体系温度随吸热反应进行而降低，再用电加热法使体系升温至起始温度，根据所消耗电能求出热效应Q。再由下式可求算出溶解热 ， （7）式中，、为加入溶质始末的体系的温度；Q为使体系从升至时的电热（J）； 、为电加热始末的体系温度，为电流强度（A）；为加热器电阻（）；为通电加热时间（S）。本实验采用热敏电阻测温系统（详见附录温度的测量与控制），（）为溶解过程校正后的峰高，（）为加热过程校正后的峰高。2 实验操作2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图仪器：DH1715A-3型直流双路跟踪稳压稳流电源，78-2型双向磁力加热搅拌器，清华牌数显惠斯通电桥，无纸记录仪，DM1-002型秒表，UNI-T UTS8E型万用表，保温瓶（750ml），容量瓶（500ml），烧杯（1000ml），温度计，研钵1只，称量瓶，分析天平（公用）。药品：KNO3（AR）图 2 热敏电阻测溶解热装置图2.2 实验条件实验室温 14.9，气压：102.16kPa。2.3 实验操作步骤及方法要点1、欲使溶解热能准确测量，要求仪器装置绝热良好，体系和环境间的热交换尽量稳定并降至最小。仪器装置如图2所示，采用保温瓶并加盖，以减少辐射、传导、对流、蒸发等热交换途径。2、测量室温，取不少于500ml的去离子水，根据室温调节水的温度，使之尽量接近室温，量取500ml注入保温瓶内。这样体系温度与室温（环境）接近，减少体系与环境的热交换。使用无纸记录仪记录电势大小。3、在天平上准确称量约5g左右（已研细并烘干）的KNO3待用。4、开动搅拌器，调节测温电桥平衡调节旋钮，使记录仪的记录笔处于记录纸的中间位置，待温度基本稳定后，记录约4min。直流稳压稳流电源调至稳流，打开电源开始加热，同时将电流值调至950mA左右（此后不要再调节电流），温度升高，记录笔升至16mV左右，关闭电源停止加热。待记录仪记录约8min左右，加入称量好的KNO3。此时由于KNO3溶解吸热，温度降低，记录笔降低，待温度稳定后再记录约8min左右。5、严格的操作应将样品装在蜡封样品管中，放在保温瓶中恒温，加样时用玻璃棒戳破管底，样品溶入溶液。本实验采用称量瓶装样品，直接倒入。由减量法求出样品质量。6、打开加热电源加热，同时打开秒表计时，待记录笔升至18mV左右（加热使温度升高的幅度，以下次加入KNO3的量决定），关闭电源停止加热，同时停止计时，记下加热时间。再记录约8min左右。整个过程如图3所示。7、按上述步骤依次加入约6、7、8、8、7和6g的KNO3。8、测量实验所用加热器的阻值R。图 3 记录仪记录的加热-溶解过程温度变化曲线3 结果与讨论 3.1 原始实验数据3.1.1溶解过程原始数据表1 溶解过程原始数据实验序号KNO3加入质量/g加热时间/min加热电流/mA15.94882071394526.82912509494537.28182513894548.31913050794558.33272501894567.22922110394575.958514775945作出电势随时间变化的曲线如下图4：图4 电势-时间曲线3.1.2 加热器阻值万用表测量得到R=15.323.1.3 文献值查阅水的摩尔质量为18.015 g/mol， 14.9 时水的密度为999.126 kg/m3。硝酸钾的摩尔质量为101.10 g/mol。3.2计算的数据、结果3.2.1 计算T1,T2,T1,T2采用雷诺图解法，计算出T1,T2,T1,T2的值如下：表2 各次溶解、加热过程T1,T2,T1,T2值序号T1T2T1T2T1-T2T1-T2118.13836.419216.57957.725511.71918.854216.71304.728417.35825.572011.984611.7862317.60595.537018.02565.895212.068912.1304418.09954.782517.89145.236813.31712.6546518.00855.273917.56255.653312.734611.9092617.63437.137816.18846.864410.49659.324716.18827.737214.94337.58048.4517.3629以第一组为例，说明T1,T2,T1,T2等的计算方法：如下图5，首先对图中开始阶段、加入硝酸钾之后的阶段、电加热之后阶段用Origin分别进行直线拟合（图中红色线段所示）得到直线拟合公式中a和b的值如图，然后根据数据点分别找出反应阶段和升温阶段的基点所对应的时间数据，对于第一组为2525s时和4441s，过中点作两条直线的垂线，四个交点计算出来即为T1,T2,T1,T2。也就是说分别把基点对应的2525s和4441s代入到两个直线方程中，得到的y值即T1,T2,T1,T2。其他组亦同，最终得到表2结果。图5 第一组雷诺作图法求解过程3.2.2 计算solHm和n0每步的电能产热Q=I2Rt溶解过程的热效应solH=QT2-T1T2-T1n0=nAnB=AVAMBMAmB则solHm=solHnB其中nB、mB为各次的累加。计算结果如下表：表3 solHm和n0对应计算值序号Q/JsolHnBsolHmn011739.2842302.1050.05884139124.33471.27222338.6552378.0220.12638937029.62219.402532344.6742332.7870.19841435344.78139.75842531.9692664.5040.280734475.9898.7886452328.2572489.6230.36312133506.8876.365861792.642018.0660.43462632637.4963.8019671474.1431691.9940.49356332168.3556.183333.2.3 求摩尔积分溶解热、微分溶解热、微分稀释热、摩尔稀释热用Origin作出散点图并拟合得到：图6 solHm-n0关系图进行指数拟合得到关系式为solHm=39465.6-10470(0.99311n0)直接代入即可求出摩尔积分溶解热，求出某点切线的斜率和截距即得微分溶解热和微分稀释热，结果如下表：表4 特定点的摩尔积分溶解热、微分溶解热、微分稀释热n0摩尔积分溶解热(kJ/mol)微分稀释热（J/mol)微分溶解热（kJ/mol)8033.44441.63530.11310034.22136.25830.59620036.83918.16133.20730038.1509.09635.42240038.8074.55636.984特定过程的摩尔积分稀释热由两种浓度的摩尔积分溶解热相减得到，结果如下表：表5 特定过程摩尔积分稀释热n0摩尔积分稀释热dilHm/ (kJmol-1)80-1000.777100-2002.618200-3001.311300-4000.6573.3 讨论分析1、查阅文献可知硝酸钾在n0=200时，18度时solHm=35.392kJ/mol,25度时solHm=34.899kJ/mol，因此估计在实验进行条件下，14.9度时solHm=35.610kJ/mol。与实验值solHm=36.839kJ/mol比较，相对误差为3.45%，说明实验结果基本合理。2、拟合出的曲线R2=0.99,说明曲线拟合相关性较好，能够较好说明两者联系，实验本身较为精确。3、从表4和表5可看出，摩尔积分溶解热、摩尔微分溶解热随n0增大而增大，摩尔微分稀释热则随n0增大而减小；在n0变化值相同的各个过程中，随着n0的增大摩尔积分稀释热逐渐减小。这与理论分析结果是一致的。4、误差分析：在加入硝酸钾的过程中，不可避免地会存在加入不均匀情况，而且第一次还存在没能一次完全倒入硝酸钾的情况，从而导致温度有了一个震荡的过程，这会带来一定误差。除此之外，每次加入过程中，热量会随着打开盖子散失，这也会导致误差。除此之外，搅拌速度是否适当，搅拌地是否均匀都会影响实验结果。要解决这样的问题，首先需要使得加入硝酸钾过程更加均一迅速，而且要保证加入的硝酸钾不能全部落在热敏电阻附近或者全部落在离热敏电阻很远的地方。搅拌速度应当适中，这样才可以更好地减小误差，使得结果更加精确。4 结论硝酸钾溶于水是一个吸热的过程，通过实验数据拟合，得到solHm和n0关系为solHm=39465.6-10470(0.99311n0).摩尔积分溶解热、摩尔微分溶解热随n0增大而增大，最终趋近于solHm=39.466kJ/mol,摩尔微分稀释热、摩尔积分稀释热(n0变化值相同)则随n0增大而减小，最终趋近于0。5 参考文献1 贺德华，麻英，张连庆编. 基础物理化学实验. 北京：高等教育出版社，2008.5.2 朱文涛编著. 物理化学. 北京：清华大学出版社，2011.9.6 附录（计算的例子、思考题等）6.1 思考题1. 如何用本装置测定液体的比热？答：测量出一个过程中液体温度上升的值和此过程吸收的热量，便可得出液体热容。采用本装置将液体加热到高于室温的温度后冷却，再将体系加热到某高于室温的温度，记录下加热的时间及电流值，重复几组实验。由于已知待测液体的质量和加热电阻的电阻值，通过I2Rt=cmT，以液体温度变化值为横坐标，加热的热量为纵坐标，进行直线拟合。拟合直线的除以m即为溶液的比热。当然，由于需要温度的准确值，需知到每格代表的温度数。2. 如果反应是放热的如何进行实验？答：可采取这样的方法：所用的仪器装置和流程大体不变，只是先加入样品，溶液升温，待溶液温度下降图线走平稳后再用电加热升温，之后再冷却，然后重复实验，仍可用上述公式来计算溶解热，不过这个过程时间较长。3. 温度和浓度对溶解热有无影响？如何从实验温度下的溶解热计算其它温度下的溶解热？答：温度和浓度都有影响，因为溶解热是溶解过程