实验3溶解热的测定一、实验目的1.掌握电热补偿法测定溶解热的基本原理和测量方法。2.用简单绝热式热量计测定KCI的积分溶解热。二、实验原理盐类的溶解过程通常包含着两个同时进行的过程：晶格的破坏和离子的溶剂化。前者为吸热过程，后者为放热过程。溶解热是这两种热效应的总和。因此，盐溶解过程最终是吸热还是放热，是由这两个热效应的相对大小所决定的。在一定的温度和压力下，1mol物质溶于定量溶剂中所产生的热量称为该物质在该条件下的溶解热。由于它的数值等于过程的恰变，因此也称溶解恰。溶解热的测定是在绝热式热量计中进行。在恒压的条件下，过程中吸收的热或放出的热全部由系统的温度变化反映出来。本实验是测定KCI(s）溶解于水的溶解热。为此，在恒温恒压下，在热量计中将m2mol的溶质溶于nlmol的溶剂（或溶于某浓度溶液）中产生的热效应，用Q表示。可以根据盖斯定律，将实际过程分解成两步进行。如图2-3-1所示。Qp=4H热量计+水+KCI热量计+KCI水溶液TiT2pp4H4H2热量计+KCI水溶液Tip图2-3-1KCI溶解过程示意图在恒压下，实际溶解过程吸收或放出的热Qp（即恰变△H）为上述设计的两个过程烩变（△H和△H）之和，即：△H=△H+H因为热量计为绝热系统，Qp=△H=0，所以在T温度下KCI溶解的恒压热效应△H为：4H=一4H,=一K(T2一T)，式中K是热量计与KCI水溶液所组成系统的总热容量，(T2-T)为KCI溶解过程中体系的温度变化值△T落解。常用的积分溶解热是指等温等压下，将1mol溶质溶解于一定量溶剂中形成一定浓度溶液的热效应。设将质量为m的KCI溶解于一定体积的水中，KCI的摩尔质量为M，则在此4H,MKMAT溶解浓度下KCI的积分溶解热为：AsoH㎡=mm
实验 3 溶解热的测定 一、实验目的 1. 掌握电热补偿法测定溶解热的基本原理和测量方法。 2. 用简单绝热式热量计测定 KCl 的积分溶解热。 二、实验原理 盐类的溶解过程通常包含着两个同时进行的过程：晶格的破坏和离子的溶剂化。前者为 吸热过程，后者为放热过程。溶解热是这两种热效应的总和。因此，盐溶解过程最终是吸热 还是放热，是由这两个热效应的相对大小所决定的。 在一定的温度和压力下，1 mol 物质溶于定量溶剂中所产生的热量称为该物质在该条件 下的溶解热。由于它的数值等于过程的焓变，因此也称溶解焓。 溶解热的测定是在绝热式热量计中进行。在恒压的条件下，过程中吸收的热或放出的热 全部由系统的温度变化反映出来。本实验是测定 KCl(s)溶解于水的溶解热。为此，在恒温恒 压下，在热量计中将 n2 mol 的溶质溶于 n1 mol 的溶剂（或溶于某浓度溶液）中产生的热效 应，用 Q 表示。 可以根据盖斯定律，将实际过程分解成两步进行。如图 2-3-1 所示。 在恒压下，实际溶解过程吸收或放出的热 QP（即焓变ΔH）为上述设计的两个过程焓 变（ΔH1 和ΔH2）之和，即：ΔH＝ΔH1＋ΔH2 因为热量计为绝热系统，QP＝ΔH＝0，所以在 T1 温度下 KCl 溶解的恒压热效应ΔH1 为：ΔH1＝－ΔH2＝－K(T2－T1)，式中 K 是热量计与 KCl 水溶液所组成系统的总热容量， (T2－T1)为 KCl 溶解过程中体系的温度变化值△T 溶解。 常用的积分溶解热是指等温等压下，将 1 mol 溶质溶解于一定量溶剂中形成一定浓度溶 液的热效应。设将质量为 m 的 KCl 溶解于一定体积的水中，KCl 的摩尔质量为 M，则在此 浓度下 KCl 的积分溶解热为： T溶解 m KM m H M SolHm = = − 1 H1 Qp = H 热量计 + 水 + KCl T1 p 热量计 + KCl 水溶液 T2 p 热量计 + KCl 水溶液 T1 p 图 2-3-1 KCl 溶解过程示意图 H2
其中，体系的总热容量K值可由电热法求得。即在同一实验中用电加热提供一定的热量Q，从精密数字温度温差仪上测得温升4T加热，则KAT加热=Q。若电加热功率为W，通电时间为t，则：K△T加热=Wt。Wt所以，体系的总热容量K=AT加热由于实验中的搅拌操作会产生一定的能量，而且体系也并不是严格的绝热，因此，在盐溶解的过程或电加热过程中都会引入微小的额外温差。为了消除这些影响，真实的△T与△T加热应用图2-3-2所示的外推法求得。TAH-BTcEATTEBICTBNA--一t通电t断电t图2-3-2温度一时间曲线图2-3-2表示电加热过程的温度一时间曲线。AB线和CD线的斜率分别表示在电加热前后因搅拌和散热等热交换而引起的温度变化速率。TB和Tc分别为通电开始时的温度、通电后的最高温度。要求真实的△T加热必须在TB和Tc间进行校正，去掉由于搅拌和散热等所引起的温度变化值。为简单起见，设反应集中在反应前后的平均温度TE（即TB和Tc的中点）下瞬间完成，在Te前后由搅拌或散热而引起的温度变化率即为AB线和CD线的斜率。所以将AB、CD直线分别外推到与Te对应时间的垂直线上，得到G、H两交点。显然GN与PH所对应的温度差，即为Te前后因搅拌和散热所引起温度变化的校正值。真实的△T加热应为H与G两点所对应的温度T与TG之差。三、实验仪器和试剂溶解热测定装置，磁力搅拌子，电子天平，精密数字温度温差仪，量筒，称量纸，洗瓶废液杯。干燥的KCI（A.R）晶体
其中，体系的总热容量 K 值可由电热法求得。即在同一实验中用电加热提供一定的热 量 Q，从精密数字温度温差仪上测得温升ΔT 加热，则 KT加热 ＝Q 。 若电加热功率为 W，通电时间为 t，则： KT加热 =Wt 。 所以，体系的总热容量 T加热 Wt K = 。 由于实验中的搅拌操作会产生一定的能量，而且体系也并不是严格的绝热，因此，在盐 溶解的过程或电加热过程中都会引入微小的额外温差。为了消除这些影响，真实的△T 溶解与 △T 加热应用图 2-3-2 所示的外推法求得。 图 2-3-2 温度－时间曲线 图 2-3-2 表示电加热过程的温度－时间曲线。AB 线和 CD 线的斜率分别表示在电加热 前后因搅拌和散热等热交换而引起的温度变化速率。TB 和 TC分别为通电开始时的温度、通 电后的最高温度。要求真实的ΔT 加热必须在 TB 和 TC间进行校正，去掉由于搅拌和散热等所 引起的温度变化值。为简单起见，设反应集中在反应前后的平均温度 TE（即 TB 和 TC 的中 点）下瞬间完成，在 TE前后由搅拌或散热而引起的温度变化率即为 AB 线和 CD 线的斜率。 所以将 AB、CD 直线分别外推到与 TE 对应时间的垂直线上，得到 G、H 两交点。显然 GN 与 PH 所对应的温度差，即为 TE前后因搅拌和散热所引起温度变化的校正值。真实的ΔT 加 热应为 H 与 G 两点所对应的温度 TH与 TG之差。 三、实验仪器和试剂 溶解热测定装置，磁力搅拌子，电子天平，精密数字温度温差仪，量筒，称量纸，洗瓶， 废液杯。 干燥的 KCl（A.R）晶体
四、实验步骤1.杜瓦离出电热丝加热售3.4.仪5.直统电视6.电压表R天9.猫力魔择器Oo图2-3-3溶解热测定装置图2-3-4溶解热测定装置示意图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。实验装置见图2-3-4所示，采用杜瓦瓶并加盖，以减少辐射、传导、对流、蒸发等热交换途径。在实验装置中，用磁力搅拌器来进行均匀和有效的搅拌，以加速溶质的溶解；搅拌速度不能太快，以防止大量机械功的引入；搅拌速度应当稳定均匀，使溶解过程和通电加热过程情况相同。加热电阻丝应不与水溶液作用，因此套以不锈钢套管。整个实验过程中用精密数字温度温差仪测量温度变化。1．插好电源，打开溶解热测定装置开关预热，仪器处于待机状态，待机指示灯亮，如图所示：温差（℃）温度（℃）计时（s)加热功率（）。测试00000. 17520.170000·待机2.用量筒量取200毫升去离子水加入杜瓦瓶中，放入磁力搅拌子。3.启动电磁搅拌器，调节搅拌子转速为适宜，待搅拌稳定后盖好盖子，将温度传感器插入杜瓦瓶内的待测液中。4.用电子天平，在称量纸上准确称取4.0克左右已干燥的KCI备用。5.按下“状态转换”键，使仪器处于测试状态（即工作状态），此时仪器上自带的计时功能启动，开始计时。使用秒表，每10~15秒记录一次溶解热测定装置上的温差读数，共记录系统温度变化约10~20个数值（以温度稳定为准）。6.将KCI快速地由加盐口一次倒入杜瓦瓶中，塞好塞子，继续每10~15秒记录一次温差读数。待KCI完全溶解后，此时溶液温度降到最低点，然后温度趋于稳定变化，继续记录10~20个温度变化数值（以温度稳定为准）。7.用电热法测定系统的总热容量K：紧接步骤6，将鳄鱼夹夹在杜瓦瓶盖的电极上，调节加热功率至5W，此时记录下加热起始时溶解热测定装置上自带计时器的读数。电加热
四、实验步骤 图 2-3-3 溶解热测定装置 图 2-3-4 溶解热测定装置示意图 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。实验装置见图 2-3-4 所示，采用杜瓦瓶并加盖，以减少辐射、传导、对流、蒸 发等热交换途径。在实验装置中，用磁力搅拌器来进行均匀和有效的搅拌，以加速溶质的 溶解；搅拌速度不能太快，以防止大量机械功的引入；搅拌速度应当稳定均匀，使溶解过 程和通电加热过程情况相同。加热电阻丝应不与水溶液作用，因此套以不锈钢套管。整个 实验过程中用精密数字温度温差仪测量温度变化。 1. 插好电源，打开溶解热测定装置开关预热，仪器处于待机状态，待机指示灯亮，如 图所示： 2. 用量筒量取 200 毫升去离子水加入杜瓦瓶中，放入磁力搅拌子。 3. 启动电磁搅拌器，调节搅拌子转速为适宜，待搅拌稳定后盖好盖子，将温度传感器 插入杜瓦瓶内的待测液中。 4. 用电子天平，在称量纸上准确称取 4.0 克左右已干燥的 KCl 备用。 5. 按下“状态转换”键，使仪器处于测试状态（即工作状态），此时仪器上自带的计 时功能启动，开始计时。使用秒表，每 10~15 秒记录一次溶解热测定装置上的温差读数，共 记录系统温度变化约 10~20 个数值（以温度稳定为准）。 6. 将 KCl 快速地由加盐口一次倒入杜瓦瓶中，塞好塞子，继续每 10~15 秒记录一次 温差读数。待 KCl 完全溶解后，此时溶液温度降到最低点，然后温度趋于稳定变化，继续记 录 10~20 个温度变化数值（以温度稳定为准）。 7. 用电热法测定系统的总热容量 K：紧接步骤 6，将鳄鱼夹夹在杜瓦瓶盖的电极上， 调节加热功率至 5W，此时记录下加热起始时溶解热测定装置上自带计时器的读数。电加热
开始，仍然用秒表每10~15秒记录一次温差读数，待系统温度上升0.5℃左右后，停止加热（将鳄鱼夹取下），记录此时溶解热测定仪上自带计时器的读数，与起始数值之差即为通电时间，并将加热功率调回零。同时继续每10~15秒记录温差读数，直到温度几乎不变。8.实验结束，按“状态转换”键，使仪器处于“待机状态”。将“调速”旋钮左旋到底，关闭磁力搅拌，关闭溶解热测定仪和温差仪电源开关。9.倒掉盐水，用去离子水清洗杜瓦瓶、搅拌子、温度传感器，并用纸巾擦干，将仪器归回原位，并清理实验台。五、实验数据记录和处理1.将实验所测量数据记录于表2-3-1与2-3-2中。表2-3-1基本数据室温/℃KCI质量/g加热起始时间/s加热终止时间/s加热功率/W表2-3-2KCI溶解热测定数据记录测定过程温差/℃去离子水加KCIKCI完全溶解，温度稳定后电加热停止加热，温度稳定后2.作KCI溶解过程和电加热过程的温度-时间图，按图2-3-2所示的作图法求得真实的AT溶解和△T加热的数值。Wt3.按公式K=求得系统的总热容量K。AT加热AH,MKM△T溶解，计算KCI的积分溶解热。4.按公式△solHmmm
开始，仍然用秒表每 10~15 秒记录一次温差读数，待系统温度上升 0.5℃左右后，停止加热 （将鳄鱼夹取下），记录此时溶解热测定仪上自带计时器的读数，与起始数值之差即为通电 时间，并将加热功率调回零。同时继续每 10~15 秒记录温差读数，直到温度几乎不变。 8. 实验结束，按“状态转换”键，使仪器处于“待机状态”。 将“调速”旋钮左旋到 底，关闭磁力搅拌，关闭溶解热测定仪和温差仪电源开关。 9. 倒掉盐水，用去离子水清洗杜瓦瓶、搅拌子、温度传感器，并用纸巾擦干，将仪器 归回原位，并清理实验台。 五、实验数据记录和处理 1. 将实验所测量数据记录于表 2-3-1 与 2-3-2 中。 表 2-3-1 基本数据 室温/℃ KCl 质量/g 加热起始时间/s 加热终止时间/s 加热功率/W 表 2-3-2 KCl 溶解热测定数据记录 测定过程 温差/℃ 去离子水 加 KCl KCl 完全溶解， 温度稳定后 电加热 停止加热， 温度稳定后 2. 作 KCl 溶解过程和电加热过程的温度-时间图，按图 2-3-2 所示的作图法求得真实的 T溶解 和 T加热 的数值。 3. 按公式 T加热 Wt K = ，求得系统的总热容量 K。 4. 按公式 T溶解 m KM m H M H = − = 1 ΔSol m ，计算 KCl 的积分溶解热
六、思考题1.积分溶解热与哪些因素有关？本实验如何确定与KCI积分溶解热所对应的温度和浓度？2.如要测定溶液的浓度为0.5molKCI/100molH2O的积分溶解热，问水和KCI应各取多少？3.为什么要用作图法求得△T溶解，AT加热？如何求得？4.本实验如何测定系统的总热容量K？若用先加热、后加盐的方法是否可以？为什么？5.影响本实验结果的因素有哪些？参考文献1清华大学化学系物理化学实验编写组.物理化学实验.北京：清华大学出版社，19922北京大学化学系物理化学教研室.物理化学实验.北京：北京大学出版社，1995
六、思考题 1. 积分溶解热与哪些因素有关？本实验如何确定与 KCl 积分溶解热所对应的温度和 浓度？ 2. 如要测定溶液的浓度为 0.5 mol KCl/100 mol H2O 的积分溶解热，问水和 KCl 应各取 多少？ 3. 为什么要用作图法求得 T溶解 ， T加热 ？如何求得？ 4. 本实验如何测定系统的总热容量 K？若用先加热、后加盐的方法是否可以？为什么？ 5. 影响本实验结果的因素有哪些？ 参考文献 1 清华大学化学系物理化学实验编写组.物理化学实验.北京：清华大学出版社，1992 2 北京大学化学系物理化学教研室.物理化学实验.北京：北京大学出版社，1995