Тепловые эффекты химических процессов

Химические реакции протекают с выделением или поглощением энергии, чаще всего в виде теплоты. Реакции, при которых теплота выделяется, называются экзотермическими, поглощается – эндотермическими. Количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при химической реакции, называется тепловым эффектом реакции. Тепловой эффект реакции измеряется в единицах энергии – килоджоулях (кДж). Наука, которая изучает тепловые эффекты химических реакций, называется термохимией, а уравнения химических реакций, в правой части которых указывается тепловой эффект – термохимическими уравнениями. Выделяющаяся теплота записывается со знаком минус (-ΔH), а поглощаемая – со знаком плюс (+ΔH). Так, например, реакцию горения оксида углерода (П) можно представить термохимическим уравнением

CO_(г)+ ½О_{2 (г)} = СО_{2 (г)}; ΔH = -282,5 кДж.

В термохимии обычно используют уравнения, в которых тепловой эффект относят к 1 моль образовавшегося вещества, применяя в случае необходимости дробные коэффициенты. В термохимических уравнениях следует указывать агрегатные состояния веществ и их аллотропические модификации, поскольку фазовые переходы происходят с затратой или выделением теплоты.

Описание калориметрической установки и методика проведения опытов

Экспериментальное определение тепловых эффектов реакций, протекающих в растворах, проводят с помощью установки, показанной на рисунке 1.

Рис. 1.1. Схема калориметрической установки

Установка (рис. 1.1) состоит из калориметрического сосуда 1, внутреннего стакана 2, который помещен в наружный сосуд из органического стекла 3. Для уменьшения потерь тепла калориметрический сосуд и внутренний стакан не соприкасаются друг с другом, а также со стенками наружного сосуда. Наружный сосуд закрыт крышкой 4, в которой имеются три отверстия: для мешалки 5, воронки 6, через которую вводятся реагирующие вещества и термометра 7. Наружный сосуд установлен на подставке, в которую вмонтирована электрическая схема мотора, вращающего мешалку.

Количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся в калориметре, определяется по формуле

q = k c m Δt, (1.1)

где k = 1,15 – поправочный коэффициент, учитывающий потери тепла при нагревании стеклянных частей прибора; m – масса раствора, равная сумме массы воды и массы растворенного вещества, г. При проведении реакции нейтрализации относительную плотность раствора (d) можно принять равной плотности воды (1 г/см³) и рассчитать массу раствора по формуле m = dV; с – удельная теплоемкость раствора, равная удельной теплоемкости воды 4,2 Дж/г⁰С.

Пересчет теплового эффекта на 1 моль реагирующего вещества (ΔН) производится по формуле

ΔН = - q/n, (1.2)

где n – количество молей реагирующего вещества.

Все работы по определению тепловых эффектов химических процессов следует проводить в одинаковой последовательности. Поместите в реакционный сосуд измеренный мерным цилиндром объем раствора и дождитесь выравнивания температуры калориметра и окружающей среды для чего, выждав предварительно 3-5 мин., запишите показания термометра в течение 3 мин. С интервалом в 30 с. Убедившись, что температура не меняется, примите ее за величину t_нач. Затем включите мешалку и внесите через воронку измеренный объем раствора и, непрерывно перемешивая раствор мешалкой, проводите замеры температуры через 30 с., наблюдая ее рост и последующее уменьшение. Результаты измерений занесите в таблицу по образцу

Время от начала опыта τ, мин.	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	4,0	···	10,0
Температура, t 0C									···

По данным таблицы постройте на миллиметровой бумаге график зависимости изменения температуры от времени. На рис.1. 2 приведен примерный вид этого графика.

Рис. 1.2. Изменение температуры раствора в ходе реакции.

Проведите экстраполяцию линейного уменьшения температуры конечного периода на начало реакции и определите конечную температуру процесса t_кон. Таким образом определяется необходимая для расчета теплового эффекта реакции величина Δt = t_кон. – t_нач.

Опыт. Определение теплоты нейтрализации сильной кислоты сильным основанием.

Реакция нейтрализации (реакция взаимодействия кислоты ис основанием) сопровождается выделением теплоты. Экспериментально установлено, что при нейтрализации 1 моль сильной одноосновной кислоты (HCl, HNO₃) таким же количеством щелочи (KOH, NaOH) выделяется одинаковое количество теплоты

HCl + NaOH = NaCl + H₂O; ΔH = -56,0 кДж,

HNO₃ + KOH = KNO₃ + H₂O; ΔH = -56,0 кДж.

В краткой ионной форме эти уравнения имеют один и тот же вид

H⁺ + OH^- = H₂O; ΔH = -56, 0 кДж,

Поскольку сильные электролиты практически полностью диссоциированы на ионы.

Следовательно, теплота нейтрализации сильной кислоты сильным основанием численно равна теплоте образования воды из ионов H⁺ и OH^-.

Выполнение опыта

Отмерьте мерным цилиндром 100 мл 0,5 М раствора кислоты (HCl или HNO₃) и вылейте ее через воронку во внутренний стакан калориметра. В химический стакан налейте 100 мл щелочи той же концентрации (NaOH или KOH по указанию преподавателя) и поставьте на 5 мин. Для выравнивания температуры рядом с калориметром. Определите начальную температуру калориметра, включив мешалку, и влейте щелочь в кислоту. Ведите опыт как указано на с. .Постройте график. Определите Δt и рассчитайте экспериментальный тепловой эффект нейтрализации ΔH_э кДж/моль. Сравните полученную величину ΔH_э с теоретической теплотой нейтрализации ΔH_т при образовании одного моля воды. Вычислите относительную погрешность опыта по формуле

l % = ± (ΔH_т - ΔH_э)/ ΔH_т· 10².

Составьте термохимическое уравнение проведенной реакции.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.