Дослідження теплових властивостей тіосульфату натрію

Завдання роботи:

1. Визначити температуру плавлення тіосульфату натрію.
2. Визначити питому теплоту плавлення тіосульфату натрію.

Обладнання:

Датчик температури, аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) Einstein LabMate+, з’єднувальні кабелі, ПК, штатив з кріпленнями, калориметр, склянка, магнітна мішалка з підігрівом, посудина з водою кімнатної температури, електронні терези, скляна паличка.

Основні терміни та поняття

Температура плавлення деяких речовин Плавлення й кристалізація твердих тіл – Теплота й молекулярна фізика Питома теплота плавлення деяких речовин Тіосульфат натрію

Теоретична частина

Рис. 1. Обладнання для дослідження теплових властивостей тіосульфату натрію

Тіосульфат натрію (антихлор, гіпосульфіт, сульфідотріоксосульфат натрію) – Na2S2O3 або Na2SO3S, сіль натрію і тіосірчаної кислоти, утворює кристалогідрат Na2S2O3 · 5H2O.

Температуру переходу кристалічної речовини з твердого стану в рідкий називають температурою плавлення t_п. Процес плавлення кристалічних тіл супроводжується сталістю температури. Лабораторна робота базується саме на визначенні характеру зміни температури тіла під час його нагрівання. Тіосульфат натрію – кристалічна речовина з низькою температурою плавлення – 48 °С. Плавлення кристалогідрату тіосульфату натрію супроводжується його розчіненням у кристалізаційній воді. Плавно розгріваючи його на водяній бані та фіксуючи графік зміни температури, потрібно визначити температуру плавлення. Процес супроводжується нагріванням посудини, в якій перебуває тіосульфат, тому температура при плавленні не буде повністю стабільною. Проте на графіку зміни температури буде чітко помітна температурна пауза, яка і стане орієнтиром для виконання першого пункту завдань роботи.

Питомою теплотою плавлення речовини називають відношення кількості теплоти, витраченої на процес плавлення, Q, до маси речовини, що плавиться, m:

,(1)

Зворотнім до плавлення є процес кристалізації. Він супроводжується виділенням тепла. Розплав тіосульфату натрію при повільному остиганні може бути переохолодженим до температур, значно нижчих, ніж температура плавлення. Однак процес кристалізації тіосульфату можна активізувати з переохолодженого стану механічним шляхом – невеликим перемішуванням або додаванням кришталику речовини. Старт процесу відбувається за рахунок створення центру кристалізації. Процес кристалізації з переохолодженого стану відбувається лавиноподібно, з виділенням великої кількості теплоти. Надалі це призводить до повернення в розплавлений стан. Проте кристалічний стан речовини на цьому етапі буде спостерігатися недовго. Для виконання другого завдання дослідження необхідно виміряти кількість теплоти, що буде віддана розплавом під час лавинної кристалізації. Відношення цієї кількості теплоти до маси тіосульфату є шуканою величиною. Для визначення кількості відданої теплоти під час кристалізації пропонується використати калориметричний метод, вимірюючи зміну температури невеликої кількості води у внутрішньому стакані калориметра. Виходячи з рівняння теплового балансу після завершення теплообміну, питома теплота плавлення розраховується за виразом:

,(2)

де с_в = 4200 Дж/кгК – питома теплоємність води,

m_в  – маса води в калориметрі,

Δt – зміна температури води в калориметрі,

m_т – маса тіосульфату.

Для визначення температури плавлення тіосульфат натрію кладуть у пробірку, яку ставлять у склянку з водою, що підігрівається на магнітній мішалці. Температуру фіксують за допомогою температурного датчика. Після повільного охолодження розплаву пробірку переносять у калориметр та невеликим поштовхом активують процес кристалізації.

Хід роботи

1. Відважте за допомогою електронних терезів 50 г тіосульфату натрію та помістіть його у пробірку.
2. Закріпіть пробірку в лапці штативу та помістіть у склянку з водою, розміщену на магнітній мішалці.
3. Приєднайте датчик температури до АЦП та помістіть його всередину пробірки.
4. З’єднайте АЦП із USB-входом вашого ПК (дочекайтеся моменту, коли світлодіод на АЦП змінить колір з червоного на жовтий або зелений).
5. Запустіть програму MiLAB, обравши іконку .
6. Натисніть кнопку на АЦП так, щоб світлодіод почав блимати.
7. Оберіть внизу вікна «Повне налаштування».
8. Оберіть дискретизацію «Авто», встановіть частоту замірів – 1 замір на секунду, кількість замірів – 500.
9. Оберіть «Мінімальні налаштування».
10. Увімкніть підігрів на мішалці та запустіть процес перемішування.
11. Натисніть кнопку «Старт»  і дочекайтеся завершення реєстрації даних.
12. Вимкніть процес перемішування та нагрівання.
13. Установіть «Перший курсор»  на ділянку стабілізації температури при процесі плавлення, зчитайте під графіком значення температури плавлення t_п та занесіть його до таблиці.
14. Витягніть пробірку з води, витягніть датчик температури, попередньо його сполоснувши. Перемістіть пробірку у склянку з водою кімнатної температури та дайте розплаву охолодитися.
15. Зайдіть у меню «Вид» та натисніть кнопку «Графік» . Має з’явитися нове вікно графіка.
16. Налийте у внутрішню склянку калориметра 50 мл води кімнатної температури.
17. Помістіть у теплоізолювальну кришку калориметра датчик температури та пробірку з розплавом. Обмотавши теплоізолювальним матеріалом внутрішній стакан калориметра, помістіть його у зовнішній стакан. Простежте, щоб між внутрішнім та зовнішнім стаканами був проміжок.
18. Натисніть кнопку «Старт».
19. Обережно скляною паличкою перемішайте розплав у пробірці. При активації процесу кристалізації зупиніть рух та дочекайтеся завершення реєстрації даних.
20. Помістіть «Перший курсор» на графік у точку, в якій розпочався процес підвищення температури води. Помістіть «Другий курсор»  у точку, в якій припинилося зростання температури. Зчитайте значення різниці температур Δt та занесіть до таблиці.

Важливо! Промийте пробірку та паличку, щоб уникнути руйнації пробірки під час подальшого процесу тверднення.

Аналіз даних

1. Занесіть маси тіосульфату m_т та води m_в до таблиці.
2. За виразом (2) обчисліть значення питомої теплоти плавлення тіосульфату та занесіть йогодо таблиці.
3. Зробіть та занотуйте висновки з досліджень.

Таблиця результатів