Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая и коллоидная химия (Теория и практика). В 2 частях. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
Непрерывно в течение всего опыта снимать показания реги-
н
стрирующего прибора через каждые 30 с.
2. При установлении стационарного температурного режима
в калориметре (по завершению предварительного периода) внести
в сосуд через воронку 6 исследуемое вещество известной массы,
продолжая через каждые 30 с записывать показания регистрирующего прибора.
3. В главном периоде второго опыта (см. рис 1.6), не прекращая снимать показания с регистрирующего прибора, включить электронагреватель 7. При этом автоматически включается
секундомер. Записать показания вольтметра и амперметра, установленных на панели. Продолжительность пропускания тока не
должна превышать 3 мин. Выключить нагреватель, записать точное время пропускания тока
t
.
н
4. По окончании опыта выключить мешалку, освободить
сосуд и вылить его содержимое. Занести исследуемое вещество и
исходные данные.
Исследуемое
вещество
Масса
вещества m, г
Сила тока
I, А
Напряжение
U, В
Время пропуска-
ния тока t
Результаты эксперимента записать в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Продолжительность
опыта, с:
Показания прибора:
Обработка опытных данных
1. Результаты представить в виде графической зависимости
температуры или другой величины, пропорциональной температуре, от времени (рис. 1.6). По графику определить изменение
температуры в процессе растворения соли DТ1 и при нагревании
жидкости DТ
2.
31
2. Рассчитать количество теплоты, подведенной от электро-
нагревателя (Q2, Дж), по формуле:
Q2 = I×U
×t
, (1.24)
н
где I – сила тока, А; U – напряжение на электронагревателе, В;
t
– время пропускания тока (продолжительность нагревания), с.
н
3. Найти тепловое значение калориметра (Ск, Дж/К) по
уравнению
Ск= Q
/DТ
. (1.25)
2
2
4. Вычислить тепловой эффект растворения навески соли
(Q1, Дж) по формуле
Q1= СкDТ1. (1.26)
5. Рассчитать количество растворенного вещества (n, моль)
n = m/M, (1.27)
где m – масса навески вещества, взятого для растворения, г;
M – молярная масса этого вещества, г/моль.
Для вычисления молярной массы твердого раствора ис-
пользовать соотношение
M
= х1M1 + x2M2, (1.28)
тв.р.
в котором М1 и М2, х1 и х2 – соответственно молярные массы и
мольные доли солей, образующих твердый раствор,
n
х
1
1
=
+
х,
nn
21
n
2
=
2
, (1.29)
nn
+
21
где n1, n2 – количество солей, образующих твердый раствор, моль.
6. Рассчитать мольную теплоту (энтальпию) растворения
соли (DsН, Дж/моль):
DsH = Q1/n. (1.30)
7. Сравнить энтальпии растворения индивидуальных солей
со справочной величиной интегральной мольной энтальпии растворения и рассчитать погрешность определения по формуле:
32
ΔΔ
D
D
-
HH
ss
таблопыт
Δ
=
Δ
H
s
табл
100
×
(1.31)
(Калориметрическая установка,
совмещенная с персональным компьютером (рис. 1.5).
1. В реакционный сосуд 1 налить 80 см3 дистиллированной
воды, поместить магнитную мешалку 8; заключить сосуд в тер-
мостатирующую оболочку 2, закрыть крышкой 3.
2. Поместить навеску исследуемого вещества в шприц 5,
ввести шприц в ячейку через отверстие в крышке. Подключить
термодатчик 4.
3. Включить контроллер 7, запустить компьютерную программу, установить интервал между измерениями 5 с. Кликнуть
кнопку «Измерение»; построение температурного хода калориметрического опыта происходит в режиме реального времени.
4. При установившемся стационарном режиме (~20-25 измерений) в жидкость из шприца ввести навеску вещества, температура при этом заметно изменится. Продолжать снимать температурный ход, пока температура снова не примет постоянное
значение.
5. После загрузки графика в память компьютера отключить
контроллер, удалить содержимое из ячейки, ячейку промыть.
6. Следуя указаниям программы, по графику определить из-
менение температуры при растворении исследуемой соли DТ
.
1
7. Для определения теплоемкости калориметра Ск провес-
ти опыт (повторить п. 1-6) со стандартным веществом, мольная
теплота растворения которого приводится в справочниках (KCl,
NH4Cl); DТ2 – изменение температуры при растворении навески
стандартного вещества.
Результаты эксперимента записать в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Исследуемое
вещество
Масса вещества
m, г
°С
Т
,
1
°С
Т
,
2
33
Обработка опытных данных
станд.
1. Рассчитать теплоту растворения навески стандартного
вещества Q2 по формуле:
HnQ D×=
, (1.32)
s2
D
где
– мольная теплота растворения стандартного вещества,
ст.Hs
приведенная в справочнике, Дж/моль; n – его количество, моль,
m
станд.
n =
M
.
станд.
2. Вычислить тепловое значение (полную теплоемкость)
калориметра по формуле
Q
2
CD=
к
, (1.33)
T
2
3. Вычислить теплоту растворения и мольную теплоту рас-
творения исследуемой соли по формулам (1.26) - (1.30).
4. Сравнить энтальпии растворения индивидуальных солей
со справочной интегральной мольной энтальпией растворения и
рассчитать погрешность определения по формуле (1.31).
Контрольные задания
1. Сформулировать первый закон термодинамики и приме-
нить его для изохорного и изобарного процессов.
2. Дать определение теплоемкости веществ и охарактеризо-
вать виды теплоемкости. Привести зависимость теплоемкости от температуры.
3. Сформулировать закон Кирхгофа и записать уравнение,
описывающие зависимость теплового эффекта реакции от
температуры.
4. Описать методику экспериментального определения тепло-
вых эффектов процессов:
а) описать схему и принцип работы калориметрической установки, использованной в работе;
б) ввести понятие теплового значения калориметра и описать его определение;
в) описать методику определения интегральной удельной и
мольной теплоты растворения твердого вещества.
34
Лабораторная работа № 2.
D
D
×
D
Определение теплоты образования твердого раствора
Цель работы: расчет теплоты образования твердого рас-
твора по закону Гесса.
Теоретические сведения
Твердый раствор KCl×KBr получают кристаллизацией рас-
плава смеси солей KCl и KBr, взятых в заданном соотношении
n
KCl:nKBr
, в соответствии с термохимическим уравнением:
KCl (т) + KBr (т) = KCl×KBr (т),
0
298
f
Теплоту образования твердого раствора
)KBrKCl(
×D H
0
298
f
×D H
из индивидуальных солей в калориметрах обычного типа определить нельзя, поэтому ее рассчитывают с помощью закона Гесса.
Порядок выполнения работы
1. Составить термохимический цикл для определения теп-
лоты образования твердого раствора
мольные теплоты растворения хлорида калия
калия
s
и твердого раствора
(KBr)H
H
s
f
(KCl)H
s
KBr)(KCl
KBr)(KCl ×D H
, бромида
:
через
)KBrKCl(
Исходное состояние Конечное состояние
KCl(т) + КBr(т) х
(механическая смесь)
f
KCl
KBr)(KCl×D H
×
+ х
(KCl)HsD
KBr
×
(K+, Cl-, Br–), aq
(KBr)HsD
s
KBr)(KCl×D H
KCl×KBr
(твердый раствор)
Промежуточное состояние
В соответствии с термохимическим циклом и законом
Гесса можно записать:
35
х
×
D
×
KCl
=
H
f
+ х
+
KBr
×
(KBr)HsD
s
(KCl)HsD
KBr)(KCl
=
,
KBr)(KCl ×D H
откуда следует, что
= х
–
KCl
×
s
f
KBr)(KCl ×D H
+ х
×
(KCl)HsD
KBr)(KCl ×D H
KBr
. (1.34)
(KBr)HsD
–
2. Вычислить мольную теплоту образования твердого рас-
твора по уравнению (1.34). В расчетах использовать мольные теплоты растворения хлорида калия
и твердого раствора
(KBr)HsD
s
, бромида калия
(KCl)HsD
, определенные в
KBr)(KCl ×D H
лабораторной работе № 1.
Контрольные задания
1. Сформулировать основной закон термохимии – закон Гесса.
2. Привести способы определения тепловых эффектов процес-
сов с помощью закона Гесса.
3. Привести способы определения тепловых эффектов процес-
сов с помощью уравнения Кирхгофа.
4. С помощью закона Гесса рассчитать мольную энтальпию обра-
зования твердого раствора с использованием мольных энтальпий растворения индивидуальных солей и твердого раствора.
Лабораторная работа № 3.
Определение теплоты образования кристаллогидрата
Цель работы: определение теплоты образования кристал-
логидрата по закону Гесса с использованием калориметрического
метода.
Реактивы: дистиллированная вода, кристаллогидрат и его
безводная соль: например, сульфат меди CuSO4×5H2O хлорида
алюминия AlCl3×6H2O, сульфата алюминия Al2(SO4)3×18H2O, хлорида бария BaCl2×2H2O, хлорида кальция CaCl2×6H2O, сульфата
железа (II) FeSO4×7H2O, сульфата железа (III) Fe2(SO4)3×9H2O и т.п.
36
Теоретические сведения
Кристаллогидраты – это кристаллические соединения, со-
держащие в своей структуре молекулы воды. В зависимости от
термодинамических условий одна и та же соль может кристаллизоваться с разным количеством воды.
Теплотой образования кристаллогидрата называется тепловой эффект образования его 1 моль из твердой безводной соли
и определенного количества воды.
Образование пятиводного кристаллогидрата сульфата меди
описывается термохимическим уравнением
CuSO4 (тв) + 5H2O (ж) = CuSO4×5H2O (тв),
о
O)5H(CuSO
×DTmH
24
Этот процесс является первой стадией растворения безводного
сульфата меди с тепловым эффектом
о
HD
Ts
. Так как
)(CuSO
4
скорость образования кристаллогидрата мала, теплота его образования не может быть непосредственно измерена в калориметре.
Она вычисляется по закону Гесса в соответствии с термохимиче-
ским циклом, в котором
растворения кристаллогидрата;
о
×DTsH
о
HD
Ts
– мольная теплота
O)5H(CuSO
24
– мольная теплота
)(CuSO
4
растворения безводной соли.
Исходное состояние Конечное состояние
CuSO4 (т)
о
m
O)5H(CuSO
×DTH
24
Промежуточное состояние
о
HD
Ts
CuSO4×5H2O
(кристаллогидрат)
(Cu2+,
)(CuSO
4
-2
), aq
SO
4
о
s
O)5H(CuSO
×DTH
24
В соответствии с термохимическим циклом и законом Гесса
можно записать:
о
×DTmH
=
O)5H(C uSO
24
о
HD
Ts
–
)(CuSO
4
о
×DTsH
O)5H(CuSO
24
. (1.35)
.
37
Для расчета энтальпии образования кристаллогидрата необходимо калориметрическим методом определить мольные теплоты растворения кристаллогидрата и безводной соли.
Порядок выполнения работы
1. Изучить схему экспериментальной установки и методику
выполнения калориметрических измерений, приведенные в лабораторной работе № 1.
2. Взвесить две навески кристаллогидрата, например,
CuSO4×5H2O (2 - 10 г). Выдержать одну навеску в сушильном
шкафу при температуре 200 - 250 °С до постоянной массы (голубая окраска кристаллогидрата перейдет в белую окраску безводной соли CuSO4). Безводную соль охладить и хранить в герметично закрытой емкости.
2. Определить температурный ход калориметрического
опыта и величину DТ1 при растворении кристаллогидрата. Для
этого внести в главном периоде калориметрического опыта навеску кристаллогидрата.
3. Определить температурный ход калориметрического опыта и DТ2 при растворении безводной соли. Для этого внести в главном периоде калориметрического опыта навеску безводной соли.
4. Определить температурный ход калориметрического
опыта и изменение температуры DТ3 при пропускании через систему определенного количества теплоты.
Примечание. Пункты 2-4 выполняются по методике, описанной в лабо-
раторной работе № 1. Полученные опытные данные представить в виде
таблиц и графиков, из которых определить DТ в каждом опыте.
Обработка опытных данных
1. Вычислить теплоемкость калориметрической системы,
используя уравнения (1.24) и (1.25):
IU
τ
н
C
=
к
где I – сила тока, А; U – напряжение, В;
,
T
Δ
3
t
– время пропускания
н
тока (продолжительность нагревания), с.
2. Вычислить интегральную мольную теплоту растворения
кристаллогидрата
38
MTC
H
о
Ts
O)5H(CuSO
24
D
m
11
,
1
к
=×D
где m1, M1 – масса и молярная масса кристаллогидрата.
3. Рассчитать интегральную мольную теплоту растворения
безводной соли
MTC
H
о
Ts
4
D
m
22
,
2
к
)(CuSO
=D
где m2и M2 – масса и молярная масса безводной соли.
4. По формуле (1.35) рассчитать теплоту образования кристаллогидрата.
Контрольные задания
1. Сформулировать основной закон термохимии – закон Гесса.
2. Привести способы определения тепловых эффектов процес-
сов с помощью закона Гесса.
3. Дать определение теплоты образования кристаллогидрата.
4. Описать методику калориметрического определения теплоты
образования кристаллогидрата.
5. Применить закон Гесса для расчета мольной энтальпии обра-
зования кристаллогидрата по мольным энтальпиям растворения кристаллогидрата и безводной соли.
Лабораторная работа № 4.
Определение теплоты нейтрализации кислоты
Цель работы: определение теплоты нейтрализации силь-
ной кислоты сильным основанием.
Реактивы: раствор щелочи (например, KOH или NaOH) с
концентрацией 0,1 моль/дм3, раствор кислоты (например, HCl или
HNO3) с концентрацией 0,5 моль/дм3, дистиллированная вода.
39
Теоретические сведения
Теплотой нейтрализации называется количество теплоты,
выделяющееся при взаимодействии 1 моль кислоты с 1 моль основания. Этот тепловой эффект при взаимодействии сильных кислот и сильных оснований отвечает реакции образования молекул
воды из ионов H+ и OH–:
-+
OHOHH
=+
aqaqaq
2
o
,
HD .
298n
Энтальпии образования в воде ионов H+, OH- и молекул
жидкой воды H2О при 298 К приведены в справочниках и составляют соответственно 0, –229,94 и –285,84 кДж/моль, тогда рассчитанный по формуле (1.2) тепловой эффект нейтрализации ра-
вен
o
HD = -55,9 кДж/моль.
298n
При смешении раствора сильной кислоты с раствором
сильного основания кроме процесса нейтрализации протекают
процессы разбавления кислоты раствором щелочи с тепловым
эффектом D
тепловым эффектом D
эффект процесса DН
и разбавления основания раствором кислоты с
dНк
. Суммарный измеряемый тепловой
dНо
при этом равен:
изм
DН
изм
=
o
HD + D
298n
dНк
+ D
dНо
.
При нейтрализации слабой кислоты сильным основанием
или сильной кислоты слабым основанием тепловой эффект реакции будет зависеть от природы и степени диссоциации слабого
электролита.
Порядок выполнения работы
(Калориметрическая установка,
совмещенная с персональным компьютером (рис. 1.5).
1. Получить температурный ход калориметрического опы-
та и определить величину DТ1 смешения растворов сильной кислоты и сильного основания. Для этого в реакционный сосуд
налить 80 см3 раствора основания с известной концентрацией, в
шприц налить 10 см3 раствора кислоты с известной концентрацией. (Для нейтрализации лучше брать небольшой избыток основа-
ния, чтобы полностью нейтрализовать кислоту.) Провести калориметрический опыт, как описано в лабораторной работе № 1.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]