Лабораторна робота № 4. Визначення теплового ефекту реакції нейтралізації

Мета роботи: експериментальне визначення теплового ефекту реакції нейтралізації сильної кислоти сильною основою.

Матеріали та обладнання: розчини: сульфатна кислота (Н₂SО₄) 0,5 н, натрій гідроксид (NaOH) 1 н; штатив з лапкою, бюретка, мірний циліндр об’ємом 50 мл, калориметр.

Теоретичний мінімум

Наука про взаємні перетворення різноманітних видів енергії називають термодинамікою. Термодинаміка встановлює закони цих перетворень, а також напрямок самовільного перебігу різноманітних процесів за даних умов.

В термодинаміці використовується поняття системи. Система – сукупність тіл, яка для теоретичного або практичного вивчення умовно або реально відокремлена від оточуючого простору. Ізольованою системою називається система, яка не обмінюється з оточуючим простором енергією та масою. Закритою називається система, яка обмінюється енергією, відкритою називається система, яка обмінюється з оточуючим середовищем масою і енергією.

Стан системи можна схарактеризувати сукупністю її властивостей. Властивості найповніше характеризуються функціями стану системи. До них належать повна енергія (Е), внутрішня енергія (U), ентальпія (Н) та ентропія (S).

Функції стану системи визначаються параметрами системи (Р, V, T).

Повна енергія Е є фундаментальною функцією стану системи і визначається:

Е = К + П + U,

де К – кінетична енергія рухомих частинок системи;

П – потенціальна енергія впливу на систему зовнішніх силових полів;

U – внутрішня енергія системи.

Однією з важливих функцій стану є внутрішня енергія (U) системи – загальний запас енергії, який включає енергію поступального і обертального руху молекул, енергію внутрішньомолекулярних коливань атомів і атомних груп, енергію руху електронів, ядерну енергію тощо.

Перший закон термодинаміки (виражає закон збереження енергії) - для ізольованої системи: загальний запас внутрішньої енергії системи залишається сталим (U=0 ); для закритої системи: внесена при сталій температурі теплота Q витрачається на прирощення внутрішньої енергії і виконання роботи А проти зовнішніх сил: Q = U + А

Тепловим ефектом реакції називають суму всіх видів енергії, яка виділяється або поглинається в результаті її перебігу. Тепловий ефект реакції залежить від кількості реагуючої речовини, її агрегатного стану, температури й тиску. Тепловий ефект реакції, яка відбувається за сталої температури і тиску, виражається зміною термодинамічної функції ентальпії ΔН. Для екзотермічних реакцій, які відбуваються з виділенням енергії, ентальпія системи зменшується (ΔН < 0), для ендотермічних реакцій, які відбуваються з поглинанням енергії, ентальпія системи збільшується (ΔН > 0). Теплові ефекти реакцій вимірюють в кілоджоулях (кДж).

Основою термохімічних розрахунків є закон Гесса:

Тепловий ефект реакцій, які відбуваються при сталому тиску або при сталому об’ємі, а також при сталій температурі, не залежить від числа проміжних стадій, а визначаються лише початковим і кінцевим станом системи.

Як наслідок із закону Гесса тепловий ефект прямої реакції дорівнює за величиною і протилежний за знаком тепловому ефекту зворотної реакції:

∆H_прям = - ∆H_{зворотн}

Стандартний стан – це стан чистої речовини при тиску 101,325 кПа. Якщо не визначено спеціально, температура стандартного стану 298 К. Часто стандартний стан при температурі 298 К називають стандартними умовами. Значення ΔН за цих умов називаються стандартними і позначаються ΔН⁰.

Кількісним виміром невпорядкованості в системі є четверта функція стану – ентропія (S). Зміна ентропії процесу зумовлюється тільки кінцевим і початковим станами системи, а не проміжними стадіями.

У термодинаміці є дві функції, що виражають одночасно як зміну внутрішньої енергії (ентальпії) данного процессу, так і властиву йому ймовірність (ентропію) Це ізохорно – ізотермічний потенціал F (вільна енергія Гельмгольца) й ізобарно – ізотермічний потенціал G (вільна енергія Гіббса).

ΔF = ΔU – TΔS,

ΔG = ΔH – TΔS

ΔG = 0 – процес рівноважний;

ΔG < 0 – процес самочинний, система самочинно переходить з одного стану в інший;

ΔG > 0 – процес не може перебігати в прямому напрямку за стандартних умов.