Теплоты смешения являются фундаментальными энергетическими характеристиками растворов, отражающими энергии межмолекулярных взаимодействий в жидкой фазе. Исследование теплот смешения представляет собой эффективный метод физико-химического анализа жидких систем, позволяющий сделать выводы о характере молекулярных процессов, сопровождающих образование раствора, на основе анализа зависимости теплот смешения от концентрации и температуры. В данной работе представлены результаты экспериментального исследования теплот смешения системы вода-уксусная кислота с использованием калориметрического метода.

Ключевые слова: теплота смешения, энтальпия смешения, калориметрия, термохимия, растворы, уксусная кислота, вода.

Теоретические основы

Теплотой смешения называется теплота, поглощаемая или выделяемая системой при смешении n1 моль первого компонента и n2 моль второго компонента в условиях постоянства температуры и давления. Интегральная мольная теплота смешения представляет собой величину, отнесенную к 1 моль образующегося раствора.

Парциальные мольные теплоты (энтальпии) смешения H _i определяются соотношением [1]

где Δ H — энтальпия смешения, n _i — количество вещества компонента.

Существуют различные методы определения теплот смешения:

— Непосредственные калориметрические измерения.

— Расчет на основании данных о равновесии жидкость-пар при разных температурах (или других данных, позволяющих определить зависимость коэффициентов активности компонентов раствора от температуры).

— Расчет как разности между величинами теплот испарения растворов и чистых компонентов [1].

Калориметрический метод является наиболее распространенным и точным.

Мольная теплота смешения жидкости (или мольная энтальпия) рассчитывается по формуле:

где n — число молей, m — масса вещества, M — мольная масса вещества, C _m — теплоемкость калориметра, Δ T — изменение температуры.

Мольная масса смеси определяется по формуле:

M = M ₁ N ₁ + M ₂ N ₂ , (3)

где M ₁ и M ₂ — мольные массы компонентов, N ₁ и N ₂ — мольные доли компонентов.

Мольная доля компонента в растворе рассчитывается по формуле:

где ρ1° и ρ2° — плотности масс чистых 1-го и 2-го компонентов, V и V2o — отмеряемые объемы компонентов [4].

Материалы и методы

В работе использовался калориметр с изотермической воздушной оболочкой (рисунок 1), позволяющей исключить теплообмен калориметра с окружающей средой. Использованный калориметр является калориметром открытого типа, в котором давление во время опыта остается постоянным [2]

Рис. 1. Изометрический калориметр [2]

Реактивы и оборудование: полипропиленовый стакан, мешалка, термометр Бекмана, дистиллированная вода, уксусная кислота, секундомер, весы.

Эксперимент проводился следующим образом:

1. В калориметрический стакан заливали 0,15 л дистиллированной воды.
2. Помещали в стакан мешалку и термометр Бекмана, включали мешалку и производили 6–7 замеров температуры с интервалом в 1 минуту.
3. После установления равномерного изменения температуры (не более 0,04 град/мин) на 6–7 минуте от начала опыта, медленно вливали уксусную кислоту в объеме 0,075 л, 0,080 л, 0,070 л, соответственно для каждого опыта.
4. Продолжали измерение температуры до установления продолжительного равномерного изменения температуры (5–11 замеров).
5. По полученным данным строили температурную кривую калориметрического опыта.

Рис. 2. Температурная кривая калориметрического опыта [2]

Для определения Δ T использовали графический метод. Продолжали отрезки AB и DE до пересечения с перпендикуляром KK’, восстановленным из середины отрезка B’D’, который отражает продолжительность главного процесса. Δ T =KK’.

Результаты и обсуждение

В таблице 1 приведены исходные данные для расчетов теплоемкости калориметра.

Таблица 1

Исходные данные приборов

Таблица 2

Теоретические исходные данные

Таблица 3

Результаты расчетов мольной теплоты смешения жидкости

Теоретические значения мольных теплот смешения системы вода-уксусная кислота при T = 297 К, взятые из работы [4], приведены в таблице 4.

Таблица 4

Теоретические значения при T = 297 К

На рисунке 3 сопоставлены экспериментальные данные с теоретической зависимостью Δhm от N2.

Рис. 3. Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими

Сопоставление показывает удовлетворительное согласие экспериментальных данных с теоретической кривой. Полученные значения Δhm имеют положительные значения, что свидетельствует об эндотермическом характере процесса смешения, то есть о преобладании энергий разрыва межмолекулярных связей по сравнению с энергиями образования новых связей в растворе.

Литература:

1. Белоусов В. П., Морачевский А. Г. Теплоты смешения жидкостей. — Л.: “Химия” Ленинградское отделение, 1970. — 256 с.
2. Виноградова Т. В. Определение интегральной мольной теплоты растворения соли. — Екатеринбург: ФГАОУ ВПО “Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина”, 2014. — 18 с.
3. Мищенко К. П., Равделя А. А. Практические работы по физической химии. — 2 изд. — Санкт Петербург: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1961. — 256 с.
4. Степановских Е. И., Уломский Е. Н., Русинова Л. И. Теплоты смешения жидкости (справочные материалы). — Екатеринбург: Издательство УГТУ-УПИ, 2001. — 28 с.