Лабораторные работы / 1-Лабораторная_Химия_14 / report1

5

ТОМСКИЙ МЕЖВУЗОВСКИЙ ЦЕНТР ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ (ТМЦ ДО)

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

ОТЧЕТ

Лабораторная работа по курсу «Химия»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ЭФФЕКТА (ЭНТАЛЬПИИ) ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

200

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определить тепловой эффект (энтальпию) реакции нейтрализации и сделать соответствующие выводы, используя законы термодинамики.

2 ПРИБОРЫ И РЕАКТИВЫ

Калориметр, технические весы, пробирки, штатив для пробирок, химические стаканы, дистиллированная вода, двумолярный раствор гидроксида натрия NaOH (едкий натр^*), одномолярный раствор серной кислоты H₂SO₄.

3 ХОД РАБОТЫ

Опыт 1. Нейтрализация серной кислоты едким натром в две стадии.

В калориметр осторожно, соблюдая правила работы с едкими веществами, приливаю раствор серной кислоты. С помощью термометра измеряю начальную температуру содержимого калориметра, t₁ = 22 C°.

В кислоту быстро вливаю двумолярный раствор гидроксида натрия в количестве 25 мл, тщательно перемешиваю полученный раствор кислой соли NaHSO₄. Вновь замеряю температуру содержимого калориметра, t₂ = 31,968 C°.

Определяю разность температур Δt₁ = t₂ – t₁ = 31,968 – 22 = 9,968 C°. Объем полученного раствора равен V₁ = 75 мл.

Далее к полученному раствору NaHSO₄ приливаю оставшиеся 25 мл раствора щелочи, перемешиваю и определяю температуру раствора, t₃ =

= 34,676 C°. В результате этой реакции из кислой соли образуется Na₂SO₄.

Разность температур Δt₂ = t₃ – t₂ = 34,676 – 31,968 = 2,708 C°. Объем полученного раствора равен V₂ = 100 мл.

Полученные результаты заносим в таблицу 3.1.

В результате выполнения нейтрализации серной кислоты гидроксидом натрия в две стадии происходят следующие реакции. Стадия первая:

H₂SO₄ + NaOH → NaHSO₄ + H₂O

Стадия вторая:

NaHSO₄ + NaOH → Na₂SO₄ + H₂O

Таблица 3.1.

Объем раствора, мл		Разность температур, °C	Плотность раствора, г/моль	Теплоемкость, Дж/(г.К)	Наблюдаемая теплота, кДж/моль
H2SO4	NaOH
50	25 25	9,968 2,708	1,09 1,12	5,02 6,28	ΔH1 ΔH2

Опыт 2. Нейтрализация серной кислоты едким натром в одну стадию.

В калориметр приливаю 50 мл раствора серной кислоты. Начальное показание термометра равно t₄ = 22 C°.

В раствор кислоты вливаю едкий натр в объеме 50 мл. Перемешиваю полученный раствор средней соли Na₂SO₄. Произвожу контрольный замер температуры в калориметре, t₅ = 30,64 C°.

Разность температур Δt₃ = t₅ – t₄ = 30,64 – 22 = 8,64 C°. Объем полученного раствора равен V₃ = 100 мл.

Полученные результаты заношу в таблицу 3.2.

В результате выполнения нейтрализации серной кислоты едким натром в одну стадию осуществляется следующая реакция:

H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O

Таблица 3.2

Объем раствора, мл		Разность температур, °C	Плотность раствора, г/моль	Теплоемкость*, Дж/(г.К)	Наблюдаемая теплота, кДж/моль
H2SO4	NaOH
50	50	8,64	1,12	6,28	ΔH3

Определяем энтальпию всех проведенных реакций использую для этих целей выражение:

ΔH = V · d · C · Δt · 10 · 0,001,

где ΔH – соответствующая теплота реакции; V – объем полученного раствора соли, мл; d – плотность данного раствора, г/см³; C – удельная теплоемкость раствора, Дж (ккал); Δt – соответствующая разность наблюдаемых температур до и после реакции, °C; 10 – коэффициент перерасчета теплоты реакции на один эквивалент, взятой для нейтрализации кислоты; 0,001 – коэффициент перерасчета, кДж (ккал).

ΔH₁ = 75 · 1,09 · 5,02 · 9,968 · 10 · 0,001 ≈ 40,9072 кДж;

ΔH₂ = 100 · 1,12 · 6,28 · 2,708 · 10 · 0,001 ≈ 19,0470 кДж;

ΔH₃ = 100 · 1,12 · 6,28 · 8,64 · 10 · 0,001 ≈ 60,7703 кДж.

Суммарная теплота реакции нейтрализации ΔH₁ + ΔH₂ = 40,9072 +

+ 19,0470 = 59,9542 кДж.

Стоит заметить, что ΔH₁ + ΔH₂ практически соответствует значению энтальпии третьей реакции ΔH₃. Это равенство доказывает справедливость закона, сформулированного русским ученым Г. И. Гессом, согласно которому суммарный тепловой эффект ряда последовательных химических реакций равен суммарному тепловому эффекту любого другого ряда реакций, если исходные вещества и их состояния в обоих случаях одинаковы и если одинаковы также конечные продукты и их состояния.

Вычисляем абсолютную и относительную ошибки определения теплоты реакции для третьей химической реакции. Нам известно, что реакция нейтрализации сильной кислоты (щелочи) сильной щелочью (кислотой) всегда сопровождается реакцией образования воды. Теплота образования одного моля воды из ионов равна 57,22 кДж (13,7 ккал). Получается что абсолютная ошибка определения теплоты реакции будет соответствовать модулю разности |ΔH₃ – ΔH| = 60,7703 – 57,22 = 3,5503 кДж/моль. Относительная ошибка эксперимента определяется согласно выражению .

Запишем все проделанные химические превращения в виде термохимических уравнений. Термохимические уравнения – химические уравнения, в которых указан тепловой эффект реакции при постоянном давлении. Значение ΔH в кДж относят к количеству веществ, участвующих в реакции, причем стехиометрические коэффициенты могут быть дробными.

H₂SO₄ + NaOH = NaHSO₄ + H₂O, ΔH = 40,9072 кДж;

NaHSO₄ + NaOH = Na₂SO₄ + H₂O, ΔH = 19,0470 кДж;

H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O, ΔH = 60,7703 кДж.

4 ВЫВОДЫ

Из раздела химии, изучающей тепловые эффекты химических реакций (термохимии) нам известно, что все химические превращения непременно сопровождаются изменением внутренней энергии системы^* реагирующих веществ, ибо внутренняя энергия продуктов реакции отличается от внутренней энергии прореагировавших веществ. Изменение внутренней энергии ΔU в процессе химического превращения вещества происходит путем поглощения (или выделения) теплоты и совершения работы:

ΔU = Q + A,

где Q – теплота, выделенная или поглощенная данной системой; A – работа, совершаемая системой (например, работа расширения какого-либо газа), или работа, совершаемая внешней средой над системой (например, работа сжатия какого-либо газа). Следует вновь подчеркнуть, что всякое тело в определенных условиях обладает запасом внутренней энергии U, которая состоит из кинетической и потенциальной энергии частиц, составляющих это тело:

U = U_кин + U_пот.

Внутренняя кинетическая энергия обусловлена тепловым хаотическим движением молекул, что непосредственно связано с температурой – с увеличением интенсивности этого движения температура тела возрастает.

Из проделанной работы мне экспериментально удалось доказать факт существования такого понятия, как теплосодержание. Теплосодержание является мерой энергии, накапливаемой веществом при его образовании. Тот факт, что в каждом индивидуальном веществе заключено определенное количество энергии, объясняет тепловые эффекты реакции. Тепловой эффект химической реакции равен разности между теплосодержанием продуктов реакции и теплосодержанием реагирующих веществ. Если теплосодержание реагирующих веществ больше, чем теплосодержание продуктов реакции, то при реакции выделяется теплота. Если теплосодержание продуктов реакции больше, чем теплосодержание реагирующих веществ, то при реакции поглощается теплота.

В химической литературе вместо термина «теплосодержание» чаще употребляется термин «энтальпия» (от греч. enthalpo – нагреваю). Энтальпия – одно из важнейших свойств вещества, наряду с такими его свойствами, как объем V, давление P, температура T, внутренняя энергия U. Энтальпия H связана с внутренней энергией соотношением:

H = U + PV,

где V – объем рассматриваемой системы; P – давление, при котором система находится.

Тепловой эффект реакции ΔH (при постоянном давлении) представляет собой разность энтальпий продуктов реакции и реагирующих веществ, т. е.:

ΔH = H_кон – H_нач.

Изменение энтальпии системы, в результате протекающей в ней химической реакции, называется энтальпией реакции (тепловым эффектом реакции). Измеряют эту величину в килоджоулях (кДж), относя ее к одному молю продукта либо к числу молей всех реагентов, которое соответствует уравнению реакции.

В ходе выполнения лабораторной работы мне удалось доказать справедливость закона Гесса. Значит, тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути перехода из начального состояния в конечное. Стоит заметить, что закон Гесса является вполне строгим только для процессов, происходящих при постоянном давлении или при постоянном объеме.

* Едкий натр, каустик, каустическая сода – технические названия NaOH.

* Теплоемкость – это количество теплоты, которую необходимо затратить для нагревания 1 г (или моля) вещества на 1 градус (или Кельвин).

* Системой в химии принято называть рассматриваемое вещество или совокупность веществ, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от внешней среды (т. е. окружающих веществ, не входящих в интересующую нас систему).