کالریمتری – اندازه گیری گرمای انحلال
انحلال یک ماده حل شونده در یک حلال موجب جذب و یا آزاد شدن گرما می شود. اگر پدیده انحلال همراه با جذب گرما باشد، انحلال را گرماگیر و اگر موجب آزاد شدن گرما شود، انحلال را گرمازا می نامند.
مقدار گرمای انحلال بستگی به غلظت محلول نهایی دارد. در بررسی گرمای انحلال باید عده مول های حلال را که برای حل کردن یک مول از ماده حل شونده به کار می رود مشخص کرد. در غیر این صورت فرض می شود که گرمای انحلال مربوط به فرآیند انحلال یک مول از ماده حل شونده در مقدار بسیار زیاد از حلال است. در محلول های بسیار رقیق، گرمای انحلال به ازا هر مول از ماده حل شونده معین، عملاً مقداری ثابت است.
گرمای انحلال از رقابت بین دو عامل نتیجه می شود:
الف- انرژی جذبشده برای شکستن برخی پیوندهای شیمیایی با نیروهای جاذبه (حل شونده – حل شونده و حلال – حلال).
ب- انرژی آزاد شده بر اثر تشکیل پیوندهای جدید (حل شونده – حلال)، که اگر حلال آب باشد آن را گرمای آبپوشی (هیدراتاسیون) می نامیم.
در بررسی انحلال یک جامد یونی در آب، فرآیندهای زیر اتفاق می افتد:
1- انرژی لازم جهت شکستن شبکه بلور
AB(s) ———-> A+(g) + B–(g)
2- انرژی آزاد شده بر اثر آبپوشی (هیدراتاسیون) یون های به وجود آمده
A+(g) + B–(g) ———-> A+(aq) + B–(aq)
بسته به این که مقدار عددی کدام یک از این فرآیندها بیشتر باشد، پدیده انحلال گرماگیر و یا گرمازا خواهد بود. به این معنی که اگر مقدار عددی انرژی لازم برای درهم شکستن شبکه بلور بیشتر از گرمای آبپوشی باشد انحلال گرماگیر و اگر انرژی لازم برای درهم شکستن شبکه بلور کمتر از گرمای آزاد شده در پدیده آبپوشی باشد، انحلال گرمازا است.
معمولاً اثر گرمایی یک فرآیند شیمیایی بر حسب کیلوکالری بر مول یا کیلوژول بر مول محاسبه می شود.
مواد و وسایل مورد نیاز
– گرد پتاسیم نیترات
– آب مقطر
– کالریمتر
– دستگاه همزن مغناطیسی
– مگنت (میله مغناطیسی)
– استوانه مدرج 250 میلی لیتر
– کرونومتر
– دماسنج 100-0 درجه سانتی گراد با دقت 0/1 درجه سانتی گراد
روش کار
ابتدا کالریمتر و دماسنج را کاملاً تمیز و خشک کنید. 200 میلی لیتر آب مقطر را به وسیله استوانه مدرج در کالریمتر بریزید. سپس کالریمتر را روی دستگاه همزن مغناطیسی قرار دهید. میله مغناطیسی را داخل کالریمتر بگذارید، دماسنج را نیز درون آب قرار دهید به طوری که میله مغناطیسی هنگام چرخیدن با آن برخورد نکند.
سرعت همزن مغناطیسی را چنان تنظیم کنید که محلول به آرامی به هم زده شود. صبر کنید تا دماسنج دمای ثابتی را نشان دهد. دما را یادداشت کنید. (t1)
10 گرم گرد پتاسیم نیترات را با دقت 0/001 گرم توزین کنید. سپس همه آن را یک جا به محلول داخل کالریمتر اضافه کنید و به سرعت دهانه کالریمتر را ببندید. دقت کنید گرد پتاسیم نیترات در حال افزودن به محلول، بیرون نریزد.
دما به تدریج کاهش می یابد. صبر کنید تا دماسنج دمای ثابتی را نشان دهد (حدوداً 2 دقیقه ثابت بماند) این دما را نیز یادداشت کنید. (t2)
نکته های قابل توجه
1- انحلال پتاسیم نیترات گرماگیر است. همین آزمایش را می توانید برای ترکیب هایی مانند فلوئورید نقره، سدیم هیدروکسید و … که انحلال آن ها گرمازا است، انجام دهید.
2- اگر کالریمتر در اختیار نداشتید، می توانید یک لیوان پلاستیکی را داخل یک بشر قرار دهید و فضای بین لیوان و بشر را با ماده عایق گرما (پشم شیشه) پر کنید و درپوشی نیز برای آن در نظر بگیرید.
3- هنگام اندازه گیری و خواندن دما، توجه کنید دماسنج با بدنه کالریمتر تماس نداشته باشد و در محلول شناور بماند.
4- از ظرفیت حرارتی کالریمتر در این آزمایش طرف نظر شده است.
5- اگر دما پس از کاهش، دوباره رو به افزایش گذاشت، کمترین دمای مشاهده شده را یادداشت کنید. (t2)
محاسبه و نتیجه گیری
رابطه کلی برای محاسبه گرمای یم فرآیند شیمیایی به صورت زیر است:
Q=ƩmcΔt
در این آزمایش رابطه بالا به صورت زیر به کار می رود:
Q= (m1c1 + m2c2)Δt
Q: گرمای انحلال
m1: وزن حلال
m2: وزن ماده حل شونده
c1: گرمای ویژه حلال (گرمای ویژه آب خالص cal/ºCg1 فرض شده است)
c2: گرمای ویژه ماده حل شونده (گرمای ویژه پتاسیم نیترات cal/ºCg0/21 می باشد)
Δt: افت دما بر اثر انحلال (Δt=t1-t2 ºC). پس از محاسبه گرمای انحلال 10 گرم پتاسیم نیترات در 200 میلی لیتر آب، میزان گرمای انحلال یک مول پتاسیم نیترات (MKNO3= 101 g/mol) را در 200 میلی لیتر آب محاسبه کنید.