溶解热的测定-物化实验报告

溶解热的测定2实验操作2.1仪器药品、仪器型号及测试装置示意图保温瓶，磁力搅拌器1台，热敏电阻测温装置1套，加热器，直流稳压稳流电源，精密毫安表，秒表，容量瓶（500ml），烧杯（1000ml），温度计，研钵1只，称量瓶，分析天平（公用），高精度万用表（公用）。KNO3（AR）图1热敏电阻测溶解热装置图2.2实验条件室温：20.5℃湿度：58%大气压：992.8hPa2.3实验操作步骤及方法要点(1）搭装置，要求装置绝热性能良好。(2）量取500mL去离子水注入保温瓶中。开动搅拌器。用电加热方法调节水温，使之尽量接近室温，输出温度基本保持不变。调节惠斯通电桥的调节旋钮，使输出温度为5度。待温度基本稳定后，记录约4min。(3）打开电源开关，设定电源输出的电压值（20V以上）和电流值（0.95A）。(4）按下电源的“输出”按键，开始加热，温度上升至7度时（以无纸记录仪上显示的数值为准）停止加热。待温度稳定后再记录一段时间。(5）在保温瓶中加入5g研细的KNO3。由于KNO3溶解吸热，温度降低，待温度稳定后再记录8min左右。(6）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。天平为公用，每次使用前请务必归零。(7）按下电源的“输出”按键，开始加热，同时打开秒表计时。输出电压升至多少时停止加热，应根据下次加入KNO3的量估算，原则是：尽量保证环境温度处在最高温度与最低温度中间。停止加热，同时停止计时，记下加热时间。待温度稳定后再记录一段时间。(8）按上述步骤依次加入约6g、7g、8g、8g、7g和6gKNO3。(9）测量实验所用加热器的阻值R。3结果与讨论3.1原始实验数据加热电流I=0.95A，加热电压U=21.7V，加热电阻R=16.73Ω初始加入水的体积=500mL原始数据如下表。表1原始数据记录表序号1234567硝酸钾质量/g5.32075.93656.92397.93087.93217.02056.0079加热时间/s126.691128.413159.506166.412151.312131.753114.0953.2计算的数据、结果（1）作∆𝒔𝒐𝒍𝑯𝒎~n0曲线由于体系与环境之间不可避免地存在热交换，所以对实验数据进行雷诺校正，图解求吃醋加入溶质前后体系的温度T1、T2，电加热前后体系的温度T1’、T2’。校正图如图2，结果如下表。109876读数54321002000400060008000时间/s图2雷诺校正（黑线为记录的度数，红线为雷诺校正，蓝线是辅助线）表2雷诺校正结果序号1234567T17.7057.9297.8488.2338.2788.0137.841T23.1232.9722.2412.0072.2842.8273.517T1’3.4543.3292.6392.4472.6873.2123.834T2’7.8897.8258.2178.2607.9997.8147.814注：表中温度是相对值，数值并不等于摄氏温度值。加热过程中产生的电热Q=I2Rt其中I，R，t分别为加热电流、加热电阻、加热时间则溶解热由下式求出𝑇2−𝑇1∆𝑠𝑜𝑙H=Q′𝑇2−𝑇1′根据上式计算出每次加溶质过程的Q和∆𝑠𝑜𝑙H，对应溶质的量nB=下表。表3每次加入溶质的热效应序号1234567下面绘制∆𝑠𝑜𝑙𝐻𝑚~n0曲线。𝑛0=𝑛𝐴，其中溶剂（水）的物质的量𝑛𝐴=𝐵每次加入硝酸钾的质量/g101.102𝑔/𝑚𝑜𝑙，结果如nB/mol0.05260.11130.17980.25830.33670.40620.4656Q/J1912.91938.92408.42512.62284.61989.31722.7∆𝑠𝑜𝑙H/J1976.32138.02421.02690.72577.72241.81871.6𝑛500mL×0.998g/mL18.02g/mol=27.7mol∆𝑠𝑜𝑙𝐻𝑚=∆𝑠𝑜𝑙H𝑛𝐵，nB为加入溶质的总物质的量（不是本次加入溶质的量！）计算结果见表4、图3。表4∆𝑠𝑜𝑙𝐻𝑚~n0列表序号123456n0526.3248.7154.0107.282.2568.19∆𝑠𝑜𝑙𝐻𝑚(kJ/mol)37.5536.9536.3435.7235.0534.58759.4934.1938.037.537.0mol-1△Hm/kJ·36.536.035.535.034.534.033.50100200300400500600n0图3∆𝑠𝑜𝑙𝐻𝑚~n0图（2）求一些热效应由solHm=n0(solHH)T,P,nB(sol)T,P,nA可知，∆𝑠𝑜𝑙𝐻𝑚~n0图中某点切线斜率即为微分nAnB稀释热，截距即为微分溶解热。在图中找到n0为80、100、200、300、400的点，读出纵坐标即为摩尔积分溶解热∆𝑠𝑜𝑙𝐻𝑚，作切线求出相应的微分稀释热、微分溶解热。表5摩尔积分溶解热、微分溶解热及微分稀释热n080100200300400摩尔积分溶解热/(kJ/mol)34.9935.5836.7337.0937.30微分稀释热/(J/mol)31.624.66.52.42.1微分溶解热(kJ/mol)32.4733.1235.4336.3736.48计算n0从80到100的摩尔稀释热，也就是n0=100与n0=80对应的纵坐标∆𝑠𝑜𝑙𝐻𝑚的差。其他几个过程的计算方法类似。结果如表6。表6摩尔稀释热n0变化过程80→100100→200200→300300→400摩尔稀释热/(J/mol)65223169361093.3讨论分析（1）对测定数据及计算结果的分析、比较没有找到合适的文献值，下面只讨论计算结果。∆𝑠𝑜𝑙𝐻𝑚~n0曲线是增函数、凸函数，这意味着①随着n0减小，∆𝑠𝑜𝑙𝐻𝑚减小。随着溶质的不断加入，平均每摩尔溶质产生的热效应在减小。②随着n0增加，斜率降低，即微分稀释热减小，也就是再加入溶剂产生的热效应在减小。可以想象，当溶液无限稀的时候（n0→∞），加入溶剂不产生热效应，曲线变得完全平坦。③对于稀释过程，n0变化相同的范围，n0越小的过程，稀释热越大，因为曲线随着n0变大逐渐平坦。另外，随着n0增加，微分溶解热变大。从量级上看，微分溶解热远大于微分稀释热，也就是向某一浓度的无限量溶液中加入溶质的热效应更明显。（2）对实验过程中出现的异常现象进行分析①关于雷诺校正。图4雷诺校正图的绘制说明以图（a）为例进行说明：AB段为加热前的温度变化，此段温度的变化主要由于机械搅拌产生的热量，应扣除。CD段为加热后的温度变化，此段温度的变化包括体系与周围环境交换的热量，应补偿。将AB段延长到G，相当于如果不加热，体系也应该达到的温度（由于搅拌）；将DC段延长到H，相当于加热结束时体系应当达到的温度（如果没有传热）。实际操作中，进行的是线性拟合，而不是画延长线。在扣除和补回相应的温度后，得到的HG对应的温度差即为真正由于电加热引起的温度变化。溶解吸热过程也是同理。硝酸钾溶解吸热会使体系的温度降低。因为体系与环境的温度差最小的体系，热损耗也就最少，所以实验前将环境温度设置在5度，通电加热至7度左右：因为这个质量的样品溶解吸热大概会使体系的温度降低大概4度左右，这样溶解前体系比环境高2度，溶解后体系比环境低2度，使其温差最小，热损耗最小，于是体系可以近似当作绝热系统。这样做出的雷诺校正图中，对应着环境温度的E点应该基本位于HG的中点，此时的误差应是最小的。再看图2。代表环境温度的蓝线其实是逐渐上升的，而且上半部分面积与下半部分面积出现明显差异（对应着图4中的区域HCE，EGB）。这样会带来较大误差。当然也可以根据两部分面积相等进行雷诺校正，但本次数据处理选择的是更为直观的校正方法。②实验中发现，溶解过程相当迅速，加热过程相对缓慢。第一次加入溶质时，倒了一次之后发现瓶壁上残留有较多硝酸钾，于是轻敲瓶壁将其倒完。结果是第一次溶解过程的曲线发生了较大抖动。于是后几次加溶质时，先振荡称量瓶，迅速一次性倒入溶质，曲线看起来就很平滑。不过看了其他组的记录仪，多次溶解过程都出现了抖动，推测可能是我们这台仪器比较好用。（3）对仪器装置、操作步骤、实验方法的改进意见本实验最大的误差来源于体系与环境的热交换、恒流源。①联想燃烧热的测定实验，使用了绝热效果很好的氧弹，而本实验只是一个带活动瓶盖的保温瓶，密封性不好。而且，加样时采取打开瓶盖的步骤，增大了热交换。欲使溶解热能准确侧定，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。②实验中观察大恒流源的电流有微小波动，而数据处理过程中取950毫安为电流值。如果试验装置使用计算机控制技术，采用传感器收集数据，使整个实验自动化完成，则可以提高实验的精确度。③本实验采用称量瓶盛样品．直按倒入，而瓶壁上往往残留有粉末。严格的操作应该将样品装在蜡封样品管中，放在保温瓶中恒温，加样品时用玻璃棒戳破管底，样品溶入溶液。4结论∆𝑠𝑜𝑙𝐻𝑚~n0曲线如图3。n0为80、100、200、300、400处的摩尔积分溶解热、微分溶解热、微分稀释热如表5，相应的四个稀释过程的摩尔稀释热如表6。5参考文献[1]《物理化学实验》，清华大学化学系物理化学实验室编写组.清华大学出版社.6附录(1）如何用本装置测定液体的比热？在绝热情况下用温度计测量容器内液体温度，然后打开电加热装置，记录加热时间，加热电流及加热电阻阻值。待加热一段时间后停止加热，读取液体温度最高值。多次重复上述过程并记录数据。利用Q=I2Rt即可算出加热溶液所消耗的热量。而Q=mc△T，以液体温度变化△T为横坐标，Q为纵坐标，进行直线拟合，结合液体质量即可求出比热c。(2）如果反应是放热的如何进行实验？在量热计中装一个冷却管，放热反应结束后，通入冷水使溶液温度复原，然后再通电加热标定仪器常数。(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？(rHm)prCp,m，温度对溶解热有影响。T实验结果可以看出，浓度对溶解热有影响。T2在温度T1时反应热已知的情况下，利用rHm(T2)rHm(T1)rCP,m,BdT便可算出在T1温度为T2时的反应热。7收获与建议本实验用电热补偿的方法测量硝酸钾的溶解热，数据处理方法很巧妙（∆𝑠𝑜𝑙𝐻𝑚~n0图的切线斜率和截距），值得学习。实验过程较为简单，没有需要特别注意的地方。感谢助教的讲解和指导！