9.Тепловые эффекты химических процессов Лабораторная работа

Цель работы:

Определение с помощью простейшего калориметра теплоты реакции нейтрализации сильного основания сильной кислотой и теплоты растворения солей.

Описание исследуемых процессов

Согласно теории электролитической диссоциации, реакция между растворами сильной кислоты и сильного основания, например,

HCl(p) + NaOH(р) ® NaCl(р) +H₂O ,

независимо от того, какие кислоты или основания были взяты, может быть представлена в виде

Н⁺+ ОН^- ®Н₂О + 56.9 кДж.

Таким образом, в основе этих реакций лежит одно и то же термохимическое уравнение.

Растворение кристаллических солей представляет сложное физико-химическое явление. При растворении кристаллической соли протекают два основных процесса : первый - эндотермический, связанный с разрушением кристаллической решетки; второй - экзотермический, обусловленный взаимодействием растворенного вещества с молекулами растворителя с образованием гидратированных ионов. В зависимости от того, какой из двух тепловых процессов преобладает, тепловой эффект растворения может быть положительной или отрицательной величиной.

Расчет теплоты из экспериментальных данных

Расчет теплоты, поглощающейся или выделяющейся в калориметре, в данной работе проводим исходя из следующих допущений:

1) считаем, что тепловой эффект проявляется только в изменении температуры раствора и стекла конической колбы - реактора;

2) пренебрегаем относительно небольшими потерями тепла в окружающую среду;

3) принимаем теплоемкость раствора равной теплоемкости воды.

С учетом сделанных допущений выделяющуюся или поглощаемую в калориметре теплоту вычисляем по формуле

q = (c_Р ×m_Р + c_С × m_С) × DT,

где с_Р = 4.184 кДж/(кг×К); с_С=0.75 кДж/(кг×К) - удельные теплоемкости раствора и стекла; m_Р и m_С - массы раствора и стеклянной колбы-реактора; DТ - изменение температуры калориметра в ходе процесса.

Таким образом, задача калориметрического эксперимента сводится к точному определению изменения температуры калориметра DT, обусловленному тепловым эффектом.

Оборудование и реактивы

Калориметр, термометр с точностью не хуже 0.1^о С. весы с точностью измерения 0.01 г. Мерный цилиндр на 100 мл. Ареометр.

Реактивы: 1М НС1; 1М НNO₃ ; 3М NaOH; CuSO₄ (безводный); CaSO₄×5H₂O (кристаллогидрат).

Опыт 1. Определение теплового эффекта реакции нейтрализации сильного основания сильной кислотой.

В сухую коническую колбу с известной массой с помощью мерного цилиндра залейте 150 мл 1М раствора соляной кислоты и поместите ее в стакан, внутри которого размещены теплоизолирующие прокладки из пенопласта. Закройте калориметр крышкой с отверстием для термометра.

Налейте в мерный цилиндр 50 мл 3М раствора NaOH и измерьте его температуру. Необходимо, чтобы температуры исходных растворов были одинаковы.

Каждый калориметрический опыт начинают с определения температурного хода калориметрической системы. Для этого в течение нескольких минут измеряют температуру калориметра. Показание термометра фиксируют через каждую минуту. Если в течение 5 минут изменения температуры невелики и равномерны (эти изменения составляют начальный период опыта), то в определенный момент отсчета вылейте в калориметр через воронку приготовленный раствор щелочи. Перемешайте растворы. С момента сливания растворов начинается главный период опыта. За счет теплового эффекта протекающей химической реакции происходит резкое изменение температуры. По окончании реакции нейтрализации температурный ход в калориметре станет снова равномерным. Момент наступления равномерного хода в калориметре является концом главного и началом конечного периода.

В конечном периоде в течение 5 минут температурные отсчеты проводятся через минуту, как и в начальном периоде.

Результаты температурных измерений изображаются в виде графика на миллиметровой бумаге. На рисунке проводится график изменения температуры в реакции нейтрализации. Здесь линии АВ, ВС и СD соответствует начальному, главному и конечному периодам реакции. Наличие температурного хода линии СD свидетельствует об имеющем место теплообмене калориметра с окружающей средой. В расчетах максимальной температуры раствора теплообмен учитывается следующим образом. Прямая АВ экстраполируется вправо, а прямая СD - влево. Интервал времени ВС делится пополам и из точки М₁ проводится перпендикуляр к оси абсцисс. Отрезок HC_T соответствует изменению температуры калориметра DТ, вызванному протеканием химического процесса с поправкой на теплообмен.

Для расчетов потребуется также значение массы раствора, находящегося в калориметре, которую можно определить либо путем взвешивания, либо из выражения m_Р = V×r, где V = 200 мл, а значение r можно измерить с помощью ареометра или принять равным 1 г/мл.

По указанию преподавателя процедуру определения DТ можно упростить.

1.Измерьте температуру раствора кислоты в колбе - Т_К .

2.Измерте температуру раствора щелочи в цилиндре - Т_Щ.

3.Начальную температуру раствора после смешения рассчитайте по формуле

Т₁ = (Т_К ×150 + Т_Щ × 50) / 200.

4.Залейте раствор щелочи в колбу-калориметр. Сразу же после смешения закройте колбу крышкой с термометром. Энергично взбалтывая полученный раствор следите за его температурой. Отметьте максимальную температуру Т₂.

5.Рассчитайте DТ = Т₂ - Т₁.

Результаты выполненных измерений запишите в таблицу.

№ опыта	Масса колбы-калоримет-ра, mС, г	Масса раствора в колбе, mР, г	Начальная температура раствора		Изменение температуры калориметра DТ	Использованная кислота
			кис-лота	NaOH

Тот же эксперимент проделайте с 1М раствором HNO₃.

На основании полученных данных определить

1) количество теплоты [кДж], выделившееся при протекании реакции нейтрализации;

2) число молей образовавшейся в ходе реакции воды (рассчитать из значений концентрации щелочи или кислоты и уравнения химической реакции);

3) рассчитать тепловой эффект реакции нейтрализации (кДж/моль Н₂О) и составить термохимическое уравнение изучаемой реакции;

4) сравнить значения тепловых эффектов нейтрализации 1М раствора НС1 и 1М раствора HNO₃; cделать вывод.

Опыт 2. Определение тепловых эффектов растворения солей

Опыт проводится в той же калориметрической установке и по той же методике, которая описана в опыте 1.В колбу налейте 200 мл дистиллированной воды и снимите начальный температурный ход калориметра. Взвесьте ~ 5 г безводной соли с точностью до 0.01 г. Быстро внесите навеску в колбу. При постоянном взбалтывании раствора следите за показаниями термометра. Температурные измерения представьте графически и рассчитайте значения DТ.

Результаты опыта запишите в таблицу.

№ опыта	Масса колбы m1, г	Масса соли	Масса воды	Масса раствора	Изменения температуры Т1	DТ

Опыт повторите с кристаллогидратом соли, взяв навеску ~ 8 г. Результаты опыта запишите в таблицу.

По данным проведенного эксперимента

1) рассчитать теплоту растворения безводной соли, кДж/моль;

2) рассчитать теплоту растворения кристаллогидрата, кДж/моль;

3) используя закон Гесса по найденным теплотам растворения безводной соли и ее кристаллогидрата рассчитать теплоту гидратации безводной соли и составить термохимические уравнения этой реакции

CuSO₄(кр.) + 5H₂O(ж.) = CuSO₄× 5H₂O(кр.) + Q₁ .(1)

При этом следует иметь в виду, что процесс растворения безводного сульфата меди может быть представлен в виде двух последовательно протекающих процессов : процесса (1) и

CuSO₄ × 5H₂O(кр.) = CuSO₄(p) + 5H₂O + Q₂(2) или в виде одного суммарного уравнения

CuSO₄(кр.) = CuSO₄(p) + Q₃ ,

где Q₂ и Q₃ - теплоты растворения кристаллогидрата и безводной соли. Учитывая, что начальное и конечное состояния в обоих случаях одинаковы, на основании закона Гесса, Q₃ = Q₁ + Q₂, откуда Q₁ = Q₃ - Q₂.