6.13. Kristályosodási hő mérése

A kísérlet célja  

Kalorimetrikus méréssel a túlhűtött sóolvadék kristályosodása során felszabaduló energia értékének meghatározása egységnyi tömegű anyagra vonatkoztatva (fagyáshő).

Szükséges anyagok, eszközök

• ismert tömegű túltelített sóolvadék („nátriumacetát-trihidrát”, kézmelegítő)
• ismert hőkapacitású (vízértékű, 270 J/K) iskolai kaloriméter keverővel, hőmérővel
• stopper
• szobahőmérsékletű állott víz
• mérőhenger
• hőmérő

Leírás

A mérőhenger segítségével töltsünk a kaloriméterbe ismert mennyiségű szobahőmérsékletű vizet. (A víz tömege kb. 3-4-szerese legyen a műanyag tasakban lévő folyadék tömegének.) A szobahőmérsékletű folyadékot tartalmazó tasakot emeljük a kaloriméter fölé, majd a tasakban lévő görbült fémlapocska átpattintásával indítsuk be a kristályosodást. Amint meggyőződtünk a folyamat beindulásáról, rakjuk a tasakot a kaloriméter vizébe, tegyük rá a tetőt, helyezzük be a hőmérőt és indítsuk el az órát. A kristályosodás során az anyagból energia szabadul fel, ami melegíti a kalorimétert és a beletöltött vizet. Óvatos rázogatással, a kaloriméter körkörösen görbült keverőjének le-fel történő mozgatásával segítsük a víz melegedését.

Feladatok

• Percenként olvassuk le a hőmérsékletet. Az idő- és hőmérsékletértékeket jegyezzük fel. A mérést folytassuk, amíg a melegedés tart.
• Készítsük el a kaloriméter melegedését jellemző idő-hőmérséklet grafikont és határozzuk meg a rendszer maximális hőmérsékletét.
• Az anyag tömegét, a víz tömegét és fajhőjét, a kaloriméter hőkapacitását ismerve, a kiindulási és a végső hőmérséklet mért értékeit felhasználva írjuk fel az energiamegmaradást kifejező egyenletet. Az egyenletből számítással határozzuk meg az anyag tömegegységére jutó kristályosodási hőt.

Megjegyzés a számítás elvégzéséhez:

A kaloriméter előre meghatározott hőkapacitása általában az eszköz leírásában van feltüntetve, de méréssel is meghatározható. A víz fajhőjének táblázati értéke: c = 4,18 kJ/kg·K. Az egyszerűség kedvéért ne foglalkozzunk azzal a hőmennyiséggel, amit a sóoldat vesz fel az olvadáspontig történő felmelegedésével, illetve a só ad le, miközben visszahűl a végső hőmérsékletre.

Módszertani kiegészítések

• A diákok kémiaórán tanulnak arról a jelenségről, hogy egy anyag oldódása során hő szabadul fel vagy nyelődik el (endoterm és exoterm oldódás). Érdemes itt ezeket az ismereteiket felidézni és megbeszélni, hogy éppen fordított folyamatról van szó: amelyik anyag oldódása endoterm, annak oldódása exoterm és fordítva.
• Bár a kísérletben használt kézmelegítőben egy túltelített oldat fázisátalakulását figyelhetjük meg, mégis ennél a kísérletnél (analóg jelenségként) szoktunk a túlhűtésről beszélni. Ennek oka, hogy túlhűtött folyadékkal hasonló lenne a jelenség, valamint a túlhűtés magyarázata egyszerűbb és tisztán fizikai fogalmakra lehet alapozni. A túlhűtés jelenségének megnevezése mellett mindenképpen érdemes szemléletes magyarázattal is szolgálni: korábbi ismereteikre alapozva elmondhatjuk, hogy amikor megkezdődik a kristályosodás, a „középen” kialakuló kristálymag határfelületet képez a folyadékkal, tehát létrejöttéhez energiát kell befektetni (a felületi feszültség leküzdésére). Később a kristályosodásból felszabaduló energia ezt fedezni tudja, csak az elején kell átugrani egy energiagátat. Az energiagát átugrását segítheti valami mechanikai behatás, vagy egy kristálymag bejuttatása a folyadékba.
• Túltelített oldat többkomponensű rendszerekben lehetséges, míg túlhűtés egykomponensűek esetén is létrejöhet.
• A túlhűtés jelenségével a hétköznapokban is lehet találkozni. Ha mélyhűtőbe beteszünk vizet, akkor előfordulhat, hogy kivételkor folyékony halmazállapotú, de bontásra/rázásra megfagy.
• A vizet nem csak túlhűteni, de túlforralni is lehet. Mikróban melegített víznél gyakran előfordul, hogy a teafilter behelyezésekor, vagy a kávé beöntésekor heves forrásba jön a víz.