溶解热测定实验的条件探索

张晓菲

（赤峰学院 化学化工学院，内蒙古 赤峰 024000）

溶解热测定实验的条件探索

张晓菲

（赤峰学院 化学化工学院，内蒙古 赤峰 024000）

溶解热测定实验是大学物理化学课程中的一个经典实验.在教学过程中，得到的实验结果往往与文献值不符.本文利用电热补偿法对KNO3进行溶解热的测定，并用做图法得出积分冲淡热.同时分析了用水量、研磨程度、干燥时间对积分溶解热的影响.实验结果表明，充分研磨样品，控制适当的水量，干燥1小时所测得的硝酸钾溶解热值误差最小.

溶解热；电热补偿法；硝酸钾

1 实验原理

“溶解热的测定”是物理化学实验中的一个经典实验，本实验测硝酸钾与氯化钾在水中的溶解热，是一个溶解过程中温度随反应的进行而降低的吸热过程.故实验方法是采用电热补偿法，实验时先测定体系的初始温度，随着样品的溶解，溶液的温度会随之降低，通过电加热的方法使体系再回复至起始温度，根据所消耗的电能求出热效应Q.其Q=UIt.式中U为电阻丝两端所加的电压（V），I为通过电阻丝的电流强度（A），t为通电时间（s）.传统手工操作实验存在着一些缺点：在实验过程中，电流电压不稳定，很难得到稳定的功率值；每次样品加入后，到体系恢复至起始温度的时间是用秒表读取的，因而易引入较大的误差；此外，实验中需持续观察起始温度是否到达以及读取加热时间，实验难度较大[4].因此采用微机自动测控系统对实验进行全程的测控，以便解决以上问题.

由于Q=UIt中U和I要求保持不变，所以使用积分计算方法处理数据，即将电压、电流作为随时间变化的函数U（t）和I（t），而不是一个恒定的不变的值，利用计算式：Q=∫U（t）I（t）dt完成积分.计算机在数值计算时，电流电压取一小段时间△t内的平均值U和I.热效应计算式转化为Q=ΣUI△t,这样就克服了因电流、电压的波动而产生的实验误差[5-6].

物质溶解于溶剂过程中所产生的热效应称为溶解热.溶解热分为积分溶解热和微分溶解热两种[7].积分溶解热是指在定温定压下，把1摩尔溶质溶解在n0摩尔的溶剂中时所产生的热效应，由于此过程中溶液的浓度会逐渐改变，因此也称之为变浓溶解热，以Qs来表示.微分溶解热是指在定温定压下，把1摩尔溶质溶解在无限量的某一定浓度的溶液中时所产生的热效应，由于在溶解过程中溶液的浓度实际上可视为不变，因此也称之为定浓溶解热，以表示.

把溶剂加到溶液中使之稀释，其热效应称为冲淡热.它有积分（或变浓）冲淡热和微分（或定浓）冲淡热两种.积分冲淡热是指在定温定压的条件下，把原来含有1摩尔溶质和n1摩尔溶剂的溶液冲淡到含溶剂为n2时的热效应，亦即为某两浓度的积分溶解热之差，以Qd表示.微分溶解热是指1摩尔溶剂加到某一浓度的无限量溶液中所产生的热效应，以表示.

当混合成溶液后

因此溶解过程的热效应为

式中△H1为溶剂在指定浓度溶液中溶质与纯溶质摩尔焓的差.即为微分溶解热.△H2为在指定浓度溶液中溶质与纯溶质摩尔焓的差即为微分溶解热.跟据积分溶解热的定义：

所以在Qs～n0图上，同Qs点的切线斜率为对应于该浓度溶液的微分冲淡热，即

该切线在纵坐标的截距OC，为相应于该浓度溶液的微分溶解热.在含有1摩尔溶质的溶液中加入溶剂使溶剂量由n02摩尔增至n01摩尔过程的积分冲淡热

图1 Qs～n0图

2 实验仪器与试剂

实验仪器：ZR－2J溶解热测定装置一套（南京多助科技有限公司生产）；量热计（包括杜瓦瓶，加热器）；速度可调磁力搅拌器，温度传感器，计算机（选配）；称量瓶8只（30×50mm）；电子天平一台；台式天平一台；研钵；铁坩埚；温度计；干燥器一个；SL 101FAB-1型电热鼓风干燥箱（上海树立仪器仪表有限公司）.

实验试剂：硝酸钾（分析纯AR级，天津市河东区红岩试剂厂）；氯化钾（分析纯AR级，天津市福晨化学试剂厂）；蒸馏水.

3 实验步骤

（1）将8个称量瓶编号，然后在分析天平上称出准确数据，依次加入样品约2.5、1.5、2.5、3.0、3.5、4.0、4.0和4.5g样品，把称量瓶依次放入干燥器中备用.

（2）在台式天平上称取216.2g蒸馏水于杜瓦内.

（3）将电脑与ZR－2J溶解热装置相连接并打开电源，调节“电流调节”按钮，使功率调节在2.25W左右，并旋动“搅拌调速”旋钮，将搅拌装置转速调节到合适的转速.连接装置图如下：

图2 溶解热测定实验装置图

（4）启动软件，输入加热电压、加热电流、溶剂质量 （W水）、溶质分子量、环境温度，Q－n数据表其他数据为生成数据.

（5）选择自动选择通讯端口，绿色指示灯亮说明采集成功.

（6）当实验体系温度高于环境温度0.5℃时，软件将显示可以开始实验提示，反之显示请加热体系温度.

（7）点击开始记录按钮，实验开始，同时测试系统将每秒钟记录一次加热功率数据，并手动输入加入样品的质量（Wi），当实验体系温度高于环境温度0.5℃时，显示提示请加入第一组样品，当温度再次高于环境温度0.5℃时，显示提示请加入第二组样品，以此类推，系统将自动记录实验及Qs数据，当完成8次时，手动点击停止记录，并点击保存数据按钮保存n0－Qs数据表数据，以便以后的数据处理.

（8）实验完成后点可以击数据处理选项，将n0－Qs数据表导入实验处理选项中的n0－Qs数据表，对实验记录的实验数据进行处理.

（9）为了提高数据处理的精度，对已经记录的实验数据进行分组，分组数据原则以实际而定，按住鼠标左键并移动鼠标，可以对实验数据进行选择，被选中的数据点可以在左边的n0－Qs图中看到.

（10）点击曲线拟合按钮对选中的数据进行拟合回归，并通过选择阶数选项改善其拟合精度.

（11）拖动n0－Qs图中黄色的图标，到适当位置，并通过调节n0微调可以精确定位n0坐标.

（12）点击导出按钮将出现一新对话框（含n0值为80，100，200，300，400四个选项），在对话框中选择相应的n0值点击确定改组的溶解焓、微分溶解焓、以及微分稀释焓的数据.

（13）点击消隐曲线、消隐回归、消隐切线，分别对n－Q图中的实验原始点、回归拟合曲线、以及生成的切线进行消隐导入到实验记录表选项的积分溶解焓、微分溶解焓、微分稀释焓表中.

（14）点击载入数据按钮，选择文件，可以对该文件中的数据导入n－Q数据表.

（15）点击浓度n01和n02右边的确定按钮，可以将当前n－Q图光标所在位置n0进行显示，并自动得出n01变化到n02积分冲淡热.

（16）选择实验数据表选项，初始化按钮可以该界面中表和n－Q图已经存在的数据进行归零.

（17）点击打印按钮，出现打印预览界面，按确定打印图表，或按取消按钮返回.

（18）实验结束，关闭电源开关，拆去实验装置.

3 实验结果与分析

3.1 加水量对溶解热实验数据的影响

在实验允许的情况下（如在实验容器容积的范围内、用水量大于样品KNO3溶解水量等），探讨加水量不同对实验结果的影响，本实验功率都是2.25W（电流0.36A,电压6.25V）,不同的加水量对实验结果的影响情况如下图.

图3 硝酸钾溶于不同量的水中的积分溶解热曲线图

图3是硝酸钾溶于216.2g和250g水后所得的溶解热数据图，由文献可知，当温度为25℃，n0为200时，KNO3的Qs为34.98kJ/mol.由图中n0－Qs数据表可分别求得硝酸钾在n0为200时的积分溶解热分别为36036J/mol和35634J/mol.当加水量为250克时硝酸钾的积分溶解热更接近文献值.

同样，在25℃且n0为200→300时,硝酸钾的积分冲淡热Qd的文献值为523J/mol,由表1所示的积分冲淡热的图解值表明（样品1为加水量216.2克，样品2为加水量250克）:样品1积分冲淡热的值更接近文献值，而样品2的值误差较大，且n0为300→400时积分冲淡热的值突然下降.原因可能是体系中的水量较多，样品加入到体系中的速度太快，体系来不及升温，所以造成积分溶解热的值突然下降.所以后面的实验加水量都为216.2克.

表1 不同加水量的硝酸钾样品的Qd值

3.2药品研磨程度对溶解热实验数据的影响

图4 不同研磨程度的硝酸钾溶解热曲线图

图4是研磨后的和未经研磨的硝酸钾溶于216.2g水的溶解热曲线图，由图中n0－Qs数据表可分别求得硝酸钾在n0为200时的积分溶解热分别为36036J/mol和37217J/mol.由得出的积分溶解热值可看出，虽然实验过程中加入的药品都充分溶解，但未研磨的硝酸钾溶解热数值与文献值相差较大，由于未经研磨的药品的粒径很大，因而导致了积分溶解热的偏大，从而引起了与文献的偏差.

同样，在25℃且n0为200→300时,硝酸钾的积分冲淡热Qd的文献值为523J/mol,由表2所示的积分冲淡热的图解值表明（样品1为研磨后的硝酸钾样品，样品2为未研磨的硝酸钾样品）:样品1和样品3的积分冲淡热的值较为接近，从积分溶解热的数据来看，研磨后的硝酸钾样品得到的值较好，因为加入的药品粒径小，可以完全溶解.

表2 不同研磨程度的硝酸钾样品的Qd值

3.3 药品的干燥程度对溶解热实验数据的影响

在实验开始前，先将药品进行充分研磨并放入铁坩埚中，然后将其放入干燥箱内进行烘干，根据对药品进行烘干的时间长短来讨论其对溶解热数据的影响.体系烘干时采用的温度都为105℃，烘干时间分别进行1h、2h及6h的实验数据结果如下图.

图5 不同干燥时间的硝酸钾的溶解热曲线图

图5是分别对硝酸钾干燥1小时、2小时、6小时得到的溶解热曲线图，由计算得出硝酸钾在n0为 200时的积分溶解热分别为 36302J/mol、36632J/mol、37424J/mol.实验过程中，硝酸钾晶体全部完全溶解，通过所测得的实验数据对比观察可以发现，经1h干燥后的硝酸钾的实验数据与文献值Q=35000J/mol更加接近，而且重复性较好，而干燥2h和6h的相对来说，所得的溶解热数据偏大.但与未经干燥的硝酸钾的溶解热数据相比较来说，经干燥的实验结果更好.因为未干燥的硝酸钾会吸潮，从而引起结果的重复性较差.

同样，在25℃且n0为200→300时,硝酸钾的积分冲淡热Qd的文献值为523J/mol,由表3所示的积分冲淡热的图解值表明（样品4为干燥1h后的硝酸钾样品，样品5为干燥2h的硝酸钾样品,样品6为干燥6h后的硝酸钾样品）:样品6的积分冲淡热的值较为接近文献值，因为积分冲淡热是图解值，同时具有作图和计算的误差，所以导致其与文献值有一定误差.

表3 不同干燥时间的硝酸钾样品的Qd值

4 结论

通过实验整体结果来看，对于硝酸钾来说实验的最佳条件是经研磨烘干1h左右加入216.2g水的效果最好.通过上述实验结果可说明，实验过程中一定要将实验药品进行充分研磨并且进行充分干燥，这样才能把使药品完全的溶解，避免实验过程中的药品自身的性质而引起的实验误差.由于杜瓦瓶并不是严格的绝热系统，因此实验过程中系统与环境仍由微小的热交换.实验过程中还应注意搅拌的速度要合适，加入样品时的速度也要适中，确保样品充分的溶解.使得到的溶解热数据与理论值更接近.

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1673-260X（2016）12-0007-04

2016-09-13