3.3. Рабочее задание

3.3.1. Определение теплоты реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием

Для измерения теплового эффекта реакции

H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O

используют калориметрическую установку, состоящую из двух сосудов. В наружном сосуде находится калориметрический стакан, закрытый крышкой, с термометром и мешалкой. Выделяемая в ходе реакции теплота передается реакционной смеси и самому калориметрическому стакану, в котором она находится, вызывая повышение их температуры.

Приступая к работе, получите у преподавателя вариант задания.

Таблица 6

Варианты задания

Вариант задания	Объем 1 М NaOH, мл	Объем 0,5 М H2SO4, мл
1	80	80
2	100	100
3	120	120
4	140	140
5	150	150

Взвесьте сухой внутренний калориметрический стакан на технических весах, запишите его массу m_ст.

Отмерьте цилиндром заданный объем раствора щелочи NaOH с молярной концентрацией 1 моль/л, вылейте его в калориметрический стакан и, перемешивая, отметьте температуру раствора t_нач.

Затем добавьте такой же объем серной кислоты H₂SO₄ с молярной концентрацией 0,5 моль/л, закройте стакан крышкой, энергично перемешайте мешалкой и запишите максимальную (конечную) температуру опыта t_кон.

По полученным данным рассчитайте:

1) изменение температуры Δt (К)

Δt = t_кон - t_нач,

2) суммарную массу раствора m_р-ра (г), находящегося в калориметрическом стакане, приняв его плотность ρ равной 1 г/мл:

m_р-ра =(V_щел. + V_кис.) ρ_р-ра;

3) теплоемкость системы с_m (Дж/К) как сумму теплоемкостей раствора и стакана (теплоемкостью называют количество теплоты, необходимое для повышения температуры вещества на 1 К):

с_m = c_р-ра m_р-ра + c_ст m_ст,

где c_р-ра - удельная теплоемкость раствора, c_р-ра= 4,184 Дж/г^.К;

c_ст - удельная теплоемкость стекла, c_ст= 0,753 Дж/г^.К;

m_р-ра - суммарная масса раствора, г;

m_ст - масса стакана, г;

4) количество теплоты q (Дж), выделившейся в калориметре,

q = c_m^. ΔТ;

5) число моль полученной воды (моль), равное числу моль нейтрализованной щелочи,

= C_щел ^.V_щел,

где C_щел - молярная концентрация раствора щелочи NaOH, моль/л;

V_щел - объем щелочи NaOH, взятый для опыта, л;

6) тепловой эффект реакции нейтрализации (изменение энтальпии реакции) ΔН_реакц (кДж/моль)

ΔН_реакц.=

С учетом принятой в термодинамике системы знаков знак "минус" ставят, если теплота выделяется системой, что и происходит в данном случае.

3.3.2. Термодинамический расчет изменения стандартной энтальпии реакции нейтрализации и оценка возможности самопроизвольного протекания процесса

Теоретическое значение теплоты нейтрализации ΔН⁰_реакц. можно определить, произведя согласно следствию из закона Гесса термодинамический расчет с использованием стандартных энтальпий образования веществ ΔН⁰₂₉₈.

Согласно теории электролитической диссоциации нейтрализация сильной кислоты сильным основанием в разбавленном растворе отвечает следующему уравнению:

Н⁺_(ж) + ОН^-_(ж) = Н₂О_(ж).

Используя данные табл.7, рассчитайте по формуле (3.4) стандартную энтальпию реакции нейтрализации ΔН⁰_реакц и сравните полученное значение с экспериментально найденной теплотой нейтрализации.

Таблица 7

Термодинамическая функция	Н+(ж)	ОН-(ж)	Н2О(ж)
ΔН0298, кДж/моль	0	-230,0	-286,0
S0298, Дж/моль.К	0	-10,5	70,0

По уравнению (3.5) рассчитайте изменение энтропии в ходе реакции нейтрализации при стандартных условиях ΔS⁰_реакц и сделайте вывод о возможности протекания данного процесса в изолированных системах.

По уравнению (3.6) вычислите изменение энергии Гиббса ΔG⁰_реакц в стандартных изобарно-изотермических условиях и сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания данной реакции в неизолированных системах.