Калориметрия

Калориметрия

Правило Трутона. В 1884 г.

Фредерик Трутон установил, что отношение молярной энтальпии испарения жидкости при ее температуре кипения при нормальных условиях, к значению этой температуры в шкале Кельвина является постоянной величиной.

Указанная закономерность известна под названием правила Трутона. В единицах СИ постоянная Трутона равна 88 Дж К-1 *моль. Правило Трутона выполняется лишь приближенно и только для некоторых жидкостей.

Примеры жидкостей, подчиняющихся правилу Трутона:

Калориметрия

Калориметр это теплоизолированный сосуд, используемый для измерения количества энергии, высвобождаемой или поглощаемой в результате химической реакции или физического превращения. Он может использоваться, например, для определения изменений внутренней энергии либо энтальпии или для определения теплоемкостей.

Типичный калориметрический эксперимент состоит в том, что энергия, выделяющаяся в результате химического превращения, передается воде или самой реакционной смеси, после чего измеряется повышение их температуры. Энергия, выделяемая в ходе реакции, определяется следующим соотношением:

(5)

где q-энергия, переданная в форме тепла сосуду и его содержимому; Ссосуд-теплоемкость сосуда; т- масса содержимого сосуда (вода или реакционная смесь); Содержим -удельная теплоемкость содержимого и Д T-изменение температуры содержимого сосуда.

Приближенные измерения изменений энтальпии для реакций в растворах можно проводить с помощью простейшего калориметра, в качестве которого достаточно использовать стакан из полистирола. Теплоемкость такого стакана пренебрежимо мала, и поэтому в уравнении (5) можно пренебречь слагаемым Ссосуд. Это позволяет свести уравнение (5) к виду

(6)

В каждой лаборатории должна быть хорошая вентиляция. Обязателен вытяжной шкаф, в котором проводят все работы с использованием дурно пахнущих или ядовитых соединений, а также сжигание в тиглях органических веществ.

В специальном вытяжном шкафу, в котором не проводят работ, связанных с нагреванием, хранят легколетучие, вредные или дурно пахнущие вещества (жидкий бром, концентрированные азотную и соляную кислоты и т. п.

), а также легковоспламеняющиеся вещества (сероуглерод, эфир, бензол и др.).

В лаборатории необходимы водопровод, канализация, проводка технического тока, газа и водонагрева-тельные приборы. Желательно также иметь подводку сжатого воздуха, вакуум-линию, подводку горячей воды и пара.

Если пет специальной подводки, для получения горячей воды применяют водонагреватели различных систем.

При помощи этих аппаратов, обогреваемых электричеством или газом, можно быстро получить струю горячей воды с температурой почти 100° С.

Лаборатория должна иметь установки для дистилляции (или деминерализации) воды, так как без дистиллированной или деминерализованной воды в лаборатории работать нельзя. В тех случаях, когда получение дистиллированной воды затруднено или невозможно, пользуются продажной дистиллированной водой

Около рабочих столов и водопроводных раковин обязательно должны быть глиняные банки емкостью 10-— 15 л для сливания ненужных растворов, реактивов и т. д., а также корзины для битого стекла, бумаги и прочего сухого мусора.

Кроме рабочих столов, в лаборатории должны быть письменный стол, где хранятся все тетради и записи, и, при необходимости, титровальный стол. Около рабочих столов должны быть высокие табуреты или стулья.

В лаборатории нужно иметь также самые необходимые справочные книги, пособия и учебники, так как нередко во время работы возникает необходимость в тон или иной справке.

К оглавлению

см. также

Page 3

Применяемая в лабораториях химическая посуда может быть разделена на ряд групп. По назначению посуду можно разделить на посуду общего назначения, специального назначения и мерную. По материалу — на посуду из простого стекла, специального стекла, из кварца.

К группе. общего назначения относятся те предметы, которые всегда должны быть в лабораторий и без которых нельзя провести большинство работ. Такими являются: пробирки, воронки простые и делительные, стаканы, плоскодонные колбы, кристаллизаторы, конические колбы (Эрленмейера), колбы Бунзена, холодильники, реторты, колбы для дистиллированной воды, тройники, краны.

К группе специального назначения относятся те предметы, которые употребляются для одной какой-либо цели, например: аппарат Киппа, аппарат Сок-слета, прибор Кьельдаля, дефлегматоры, склянки Вуль-фа, склянки Тищенко, пикнометры, ареометры, склянки Дрекселя, кали-аппараты, прибор для определения двуокиси углерода, круглодонные колбы, специальные холодильники, прибор для определения молекулярного веса, приборы для определения температуры плавления и кипения и др.

К мерной посуде относятся: мерные цилиндры и мензурки, пипетки, бюретки и мерные колбы.

Для начала предлагаем посмотреть следующий видеоролик, где кратко и доступно рассмотрены основные виды химической посуды.

см. также:

Посуда общего назначения

Пробирки (рис. 18) представляют собой узкие цилиндрической формы сосуды с закругленным дном; они бывают различной величины и диаметра и из различного стекла. Обычные» лабораторные пробирки изготовляют из легкоплавкого стекла, но для особых работ, когда требуется нагревание до высоких температур, пробирки изготовляют из тугоплавкого стекла или кварца.

Кроме обычных, простых пробирок, применяют также градуированные и центрифужные конические пробирки.

Рис. 18. Простая и градуированная пробирки

Рис. 20. Внесение в пробирку бирки порошкообразных веществ.

Пробирки применяют для проведения главным образом аналитических или микрохимических работ. При проведении реакций в пробирке реактивы не следует применять в слишком большом количестве. Совершенно недопустимо, чтобы пробирка была наполнена до краев.

Реакцию проводят с небольшими количествами веществ; достаточно бывает 1/4 или даже 1/8 емкости пробирки. Иногда в пробирку нужно ввести твердое вещество (порошки, кристаллы и т. п.

), для этого полоску бумаги шириной чуть меньше диаметра пробирки складывают вдвое по длине и в полученный совочек насыпают нужное количество твердого вещества. Пробирку держат в левой руке, наклонив ее горизонтально, и вводят в нее совочек почти до дна (рис. 20).

Затем пробирку ставят вертикаль» но и слегка ударяют по ней. Когда все твердое вещество высыпется, бумажный совочек вынимают.

Для перемешивания налитых реактивов пробирку держат большим и указательным пальцами левой руки за верхний конец и поддерживают ее средним пальцем, а указательным пальцем правой руки ударяют косым ударом по низу пробирки. Этого достаточно, чтобы содержимое ее было хорошо перемешано.

Совершенно недопустимо закрывать пробирку пальцем и встряхивать ее в таком виде; при этом можно не только ввести что-либо постороннее в жидкость, находящуюся в пробирке, но иногда и повредить кожу пальца, получить ожог и пр.

Если Пробирка наполнена жидкостью больше чем на половину, содержимое перемешивают стеклянной палочкой.

Если пробирку нужно нагреть, ее следует зажать в держателе.

При неумелом и сильном нагревании пробирки жидкость быстро вскипает и выплескивается из нее, поэтому нагревать нужно осторожно-Когда начнут появляться пузырьки, пробирку следует отставить и, держа ее не в пламени горелки, а около него или над ним, продолжать нагревание горячим воздухом. При нагревании открытый конец пробирки должен быть обращен в сторону от работающего и от соседей по столу.

Когда не требуется сильного нагрева, пробирку с нагреваемой жидкостью лучше опустить в горячую воду. Если работают с маленькими пробирками (для полумикроанализа), то нагревают их только в горячей воде, налитой в стеклянный стакан соответствующего размера (емкостью не больше 100 мл).

Воронки служат для переливания — жидкостей, для фильтрования и т. д. Химические воронки выпускают различных размеров, верхний диаметр их составляет 35, 55, 70, 100, 150, 200, 250 и 300 мм.

Обычные воронки имеют ровную внутреннюю стенку, но для ускоренного фильтрования иногда применяют воронки с ребристой внутренней поверхностью.

Воронки для фильтрования всегда имеют угол 60° и срезанный длинный конец.

При работе воронки устанавливают или в специальном штативе, или в кольце на обычном лабораторном штативе (рис. 21).

На одном из концов полоски просверливают отверстие диаметром 12—13 мм и полоску сгибают так, как показано на рис. 22, а. Как укрепить воронку на стакане, показано на рис. 22, б.

При переливании жидкости в бутыль или колбу не следует наполнять воронку до краев.

Если воронка плотно прилегает к горлу сосуда, в который переливают жидкость, то переливание затрудняется, так как внутри сосуда создается повышенное давление. Поэтому воронку время от времени нужно приподнимать.

Еще лучше сделать между воронкой и горлом сосуда щель, вложив между ними, например, кусочек бумаги. При этом нужно следить, чтобы прокладка не попала в сосуд. Целесообразнее применять проволочный треугольник, который можно сделать самому.

Этот треугольник помещают на горло сосуда и затем вставляют воронку.

Существуют специальные резиновые или пластмассовые насадки на горлышко посуды, которые обеспечивают сообщение внутренней части колбы с наружной атмосферой (рис. 23).

Рис. 21. Укрепление стекляниой химической воронки

Рис. 22. Приспособление для крепле- ния воронки на стакане, в штативе.

Для аналитических работ при фильтровании лучше пользоваться аналитическими воронками (рис. 24). Особенность этих воронок заключается в том, что они имеют удлиненный срезанный конец, внутренний диаметр которого в верхней части меньше, чем в нижней части; такая конструкция ускоряет фильтрование.

Кроме того, бывают аналитические воронки с ребристой внутренней поверхностью, поддерживающей фильтр, и с шарообразным расширением в месте перехода воронки в трубку. Воронки такой конструкции ускоряют процесс фильтрования почти в три раза по сравнению с обычными воронками.

Рис. 23. Насадки на горла бутылей. Рис. 24. Аналитическая воронка.

Делительные воронки (рис. 25) применяют для разделения несмешивающихся жидкостей (например, воды и масла). Они имеют или цилиндрическую, или грушевидную форму и в большинстве случаев снабжены притертой стеклянной пробкой.

Чем меньше емкость воронки, тем тоньше ее стенки, и наоборот.

При работе делительные воронки в зависимости от емкости и формы укрепляют по-разному. Цилиндрическую воронку небольшой емкости можно укрепить просто в лапке. Большие же воронки помещают между двумя кольцами.

Нижняя часть цилиндрической воронки должна опираться на кольцо, диаметр которого немного меньше диаметра воронки, верхнее кольцо имеет диаметр несколько больший.

Если воронка при этом качается, между кольцом и воронкой следует положить пластинку из пробки.

Грушевидную делительную воронку укрепляют на кольце, горлышко ее зажимают лапкой. Всегда прежде закрепляют воронку, а уже потом наливают в нее подлежащие разделению жидкости.

Капельные воронки (рис. 26) отличаются от делительных тем, что они более легкие, тонкостенные и

Рис. 25. Делительные воронки. рис. 26. Капельные воронки.

B большинстве случаев с длинным концом. Эти воронки врименяют при многих работах, когда вещество добавляют в реакционную массу небольшими порциями или по каплям. Поэтому они обычно составляют часть прибора. Воронки укрепляют в горле колбы на шлифе или при помощи корковой либо резиновой пробки.

Перед работой с делительной или капельной воронкой шлиф стеклянного крана нужно осторожно смазать вазелином или специальной смазкой.

Смазку нужно наносить очень тонким слоем так, чтобы при поворачиваиии крана она не попадала в трубку воронки или внутрь отверстия крана.

Для более равномерного стекания капель жидкости из капельной воронки и для наблюдения за скоростью подачи жидкости применяют капельные воронки с насадкой (рис. 27). У таких воронок сразу после крана находится расширенная часть, переходящая в трубку. Жидкость через кран поступает в это расширение по короткой трубке и затем в трубку воронки.

Рис. 27. Kaпельная воронка с насадкой

Рис. 28. Химические  стаканы.

Рис. 29. Плоскопельная воронка с насадкой 

СТЕКЛЯННАЯ ПОСУДА 1 2 3

К оглавлению

см. также

КАЛОРИМЕТРИЯ

статьи

КАЛОРИМЕТРИЯ, измерение теплоты; более точно – измерение тепловых эффектов (количеств теплоты), сопровождающих физические, химические или биологические процессы.

Калориметрия используется для определения удельной теплоемкости (количества тепла, необходимого для повышения температуры единицы массы или объема вещества на один градус), теплоты плавления или испарения (количества тепла, необходимого для плавления или испарения единицы массы или объема вещества) и теплоты реакций (количества тепла, выделяемого или поглощаемого в химических реакциях). Прибор, используемый для таких измерений, называется калориметром.

Применение

Калориметрия имеет множество практических и теоретических приложений. Например, измерения теплоты сгорания (количества тепла, выделяемого при сгорании единицы массы или объема вещества) весьма важны при выборе топлива.

При проектировании реактивных и ракетных двигателей теплота сгорания топлива является наиболее важным параметром для определения получаемой тяги. Многие технологические процессы происходят при очень высоких или очень низких температурах.

Количество тепла, которое надо затратить на подогрев или охлаждение используемых в этих процессах материалов, определяет экономическую целесообразность их применения; выбор материалов при конструировании оборудования производится с учетом их теплоемкости.

В теоретических приложениях калориметрические измерения теплоты реакций и теплоемкости веществ могут быть использованы для определения химической стабильности или реакционной способности материалов и даже для определения их молекулярного строения. См. также ТЕПЛОТА; ТЕРМОДИНАМИКА.

Типы калориметров

Существует много различных типов калориметров.

При измерении теплоемкости проточным калориметром к трубке, по которой течет исследуемая среда, подводится известный поток тепла, и измеряется температура среды на входе и выходе; если надо измерить теплоту реакции, количество выделившегося (поглощенного) тепла также определяют по повышению (понижению) температуры реагирующего потока.

В жидкостном калориметре исследуемые вещества могут реагировать в растворенном состоянии внутри изолированного сосуда; в этом случае выделяемое (поглощаемое) тепло определяется по измерению температуры сосуда и его содержимого (теплоемкость материалов конструкции обычно определяют тем же самым калориметром, используя в качестве источника тепла электрический нагреватель).

При определении теплоты реакции в бомбовом калориметре жидкое или твердое вещество сжигается или взрывается в атмосфере кислорода внутри теплоизолированного сосуда с достаточно толстыми стенками, способного выдержать повышение давления, которым сопровождается процесс взрыва исследуемого вещества.

Калориметры могут быть, с одной стороны, довольно миниатюрными, чтобы измерить теплофизические свойства нескольких миллиграммов вещества, и, с другой, достаточно большими, чтобы измерить метаболическое тепло, выделяемое, например, коровой. Калориметры применяются для измерения теплофизических свойств материалов в широком диапазоне температур – от температур, лишь на доли градуса отличающихся от абсолютного нуля (-273,16° С), до температур, превышающих 1000° С.

Высокоточный низкотемпературный адиабатический калориметр

Адиабатический калориметр для измерений теплоемкости при низких температурах представляет хороший пример устройства для точной калориметрии. Поперечное сечение такого калориметра схематически показано на рисунке.

В центре его расположен калориметрический сосуд; затем – адиабатический экран и вакуумный контейнер; далее – сосуд Дьюара (криостат). Вакуумный контейнер крепится к центральной трубке; адиабатический экран подвешивается внутри контейнера на прочных нитях или рыболовной леске.

Поскольку передача тепла всегда происходит только при наличии разности температур, таким способом в адиабатических калориметрах практически исключаются утечки тепла.

Калориметрический сосуд представляет собой цилиндрическую емкость; для предотвращения коррозии он обычно изготавливается из золота или платины.

В своей донной части сосуд имеет углубление, в которое плотно вставляется термометр сопротивления (в металлическом корпусе) с окружающим его электрическим нагревателем.

В верхней части сосуда располагается тонкая трубка, через которую калориметр заполняют исследуемым веществом. Кроме того, калориметр обычно снабжен большим числом металлических полосок («крылышек») для лучшего внутреннего теплообмена.

Адиабатический экран представляет собой тонкостенный металлический цилиндр с коническими днищами.

Кроме электрических нагревателей, на нем размещаются термопары, позволяющие сравнивать температуру его поверхности с температурой калориметрического сосуда.

Адиабатический экран изнутри и калориметрический сосуд снаружи имеют хорошо отражающее покрытие, например алюминиевую фольгу, для уменьшения теплообмена излучением между ними.

Центральная трубка вакуумного контейнера связана с насосом для поддержания высокого вакуума и вывода проводов нагревателей и термометров. Сосуд Дьюара содержит криогенные вещества, которые используются для захолаживания всего устройства и защиты его от внешних тепловых воздействий во время измерений.

Например, сопротивление термометра измеряется с точностью до 10-6, а другие величины – с точностью до 10-5. Такой калориметр позволяет измерять теплоемкость с точностью до 10-4 (0,01%).

Внешние измерения могут быть автоматизированы, однако при этом часто происходит потеря точности.

Для измерения теплоемкости исследуемое вещество помещают в калориметрический сосуд, измеряют его температуру, затем с помощью электрического нагревателя к нему подводят известное количество тепла и тщательно измеряют повышение температуры.

Чтобы по этим данным определить теплоемкость исследуемого материала, нужно знать теплоемкость самого калориметра.

Она может быть определена путем измерения повышения температуры калориметра при подводе известного количества тепла без испытуемого образца.