Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

метод. указания

.docx
Скачиваний:
17
Добавлен:
25.03.2015
Размер:
229.59 Кб
Скачать

Методические указания к оформлению и выполнению лабораторной работы №6

Определение энтальпии нейтрализации”

Внимание! Для лабораторной работы требуется принести один лист миллиметровой бумаги примерным размером 10х10 см.

Известно, что химические реакции обычно сопровождаются проявлением различных энергетических эффектов: теплового светового электрического, механического (расширения) и др. В данной работе нам предстоит ознакомиться с тепловым эффектом реакций. Химические реакции и физико-химические процессы могут протекать с выделением и с поглощением энергии.

Количество теплоты, которое выделяется или поглощается при проведении химических реакций в изобарно-изотермических условиях (р,v=const), характеризуется изменением энтальпии системы и называется энтальпией реакции ∆Нр, или тепловым эффектом.

Процессы, при которых теплота выделяется, называют экзотермическими, а те, при которых теплота поглощается – эндотермическими.

Существуют две системы обозначения тепловых эффектов реакций: термохимическая (Q) и термодинамическая (∆Нр). При этом для экзотермических реакций - Q>0, ∆Нр<0; а для эндотермических - Q<0, ∆Нр>0.

Экспериментально энтальпии реакций определяют в специальных приборах – калориметрах, которые могут иметь различную конструкцию. Наиболее простая из них – два стеклянных стакана, свободно вставленных друг в друга (см. рис. 1). Для большей изоляции от окружающей среды и уменьшения теплообмена внутренний стакан обертывают стекловатой. Этот стакан закрывают крышкой (из пенопласта) с отверстиями для термометра, мешалки и химической воронки.

В данной работе требуется определить тепловой эффект реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием. Так, например, соляной кислоты и гидроксида натрия или азотной кислоты и гидроксида калия.

Как известно, взаимодействие любой сильной кислоты с любым сильным основанием можно представить в молекулярной (а), в ионной форме (б)

(а) HCl(р-р) + NaOH(р-р) → NaCl(р-р) + H2O(ж)

(б) H+(р-р) + Cl-(р-р) + Na(р-р) + OH-(р-р) → Na+(р-р) + Cl-(р-р) + H2O(ж), а также

в сокращенной ионной форме (в): H+(р-р) + OH-(р-р) → H2O(ж), которая показывает, что

независимо от того, какие сильные кислоты и основания были взяты, нейтрализация сводится к образованию воды, причем энтальпия реакции (∆Ннейтр.) всегда будет одна и та же (приблизительно). Поэтому теоретическое значение энтальпии нейтрализации можно рассчитать для уравнения (в), воспользовавшись следствием из закона Гесса:

∆Н0нейтр. = ∆Н0 (H2O(ж)) – (∆Н0H+ + ∆Н0OH-) = - 285,84 – (0 + (-228,62)) = - 57,22 кДж/моль

Отрицательное значение ∆Н0 показывает, что нейтрализация – процесс экзотермический, т.е. идет с выделением теплоты, а следовательно и с повышением температуры в системе кислота-основание. Поэтому, если реакцию нейтрализации проводить в калориметре, то можно зафиксировать скачек температуры ∆t = tнач. – tкон., а далее по формуле q = ∆t∑C (где С - это теплоемкость системы), рассчитать то количество теплоты (q), которое выделится в калориметре при сливании растворов сильной кислоты и сильного основания определенных объемов и концентраций.

Внимание! Следует помнить, что тепловой эффект рассчитывается на 1 моль вещества, а также то, что Q = - ∆Н0 .

Таким образом, значение ∆Н0нейтр., близкое к теоретическому, мы должны получить так же расчетным путем, но на основании некоторых экспериментальных данных.

I. Разделы курса, необходимые для подготовки к лабораторной работе.

Понятия «Система (открытая, закрытая, изолированная)» "функция состояния". Внутренняя энергия и энтальпия. Стандартная энтальпия образования вещества.1-ый закон термодинамики. Термохимические уравнения. Эндо- и экзотермические реакции.

II. Экспериментальная часть

Опыт по определению энтальпии реакции нейтрализации проводится в калориметре (рис. 1)

Рис. 1. Калориметр и составные части (наружный стакан, реакционный стакан-отделен от наружного слоем теплоизоляции, химическая воронка, мешалка, термометр, крышка)

Поместите в реакционный стакан (расположен внутри наружного) 50 мл 1 н. раствора кислоты. 50 мл 1 н. раствора щелочи поместите в обычный химический стакан и поставьте рядом с калориметром с тем, чтобы температура раствора кислоты и щелочи сравнялись. Через 3-4 минуты измерьте температуру раствора кислоты в реакционном стакане и запишите ее значение в лабораторном отчете. Далее в течение 3-5 минут ежеминутно проводите измерения температуры раствора кислоты, фиксируя их в отчете. Когда установится стационарное значение температуры, прервите измерения, а установившееся значение примите за начальную температуру реакционной смеси (tнач.). Влейте через сухую воронку раствор щелочи в раствор кислоты, и, непрерывно перемешивая реакционную смесь, продолжите измерения температуры содержимого стакана 1 с интервалом 30 секунд в течение 3-4 минут, и далее – с интервалом 1 минута в течение еще около 3 минут, пока значения температуры не начнут устойчиво падать. Результаты измерений занесите в таблицу.

Таблица 1. Изменение температуры реакционной смеси с течением времени

Время от начала эксперимента, мин

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

(и т.д.)

Температура

На миллиметровой бумаге постройте график зависимости температуры от времени, прошедшего с начала опыта. Примерный вид такого графика приведен на рис. 2.

Рис. 2. Изменение температуры во времени при протекании реакции нейтрализации

Пользуясь построенным графиком путем экстраполяции определите конечную температуру реакционной смеси (tкон. – см. рис.2).

Вычислите количество теплоты, выделившейся при протекании реакции нейтрализации, по формуле:

q = (tкон.- tнач.)ΣС

где

q - количество теплоты, выделившейся при протекании реакции нейтрализации, кДж;

tконконечная температура реакционной смеси, ˚С;

tнач.- начальная температура реакционной смеси, ˚С;

ΣС – теплоемкость системы, кДж/К

ΣС=С1m1+C2m2

С1 и C2 – удельная теплоемкость реакционного сосуда и реакционной смеси соответственно, кДж/(кг∙К)

m1 и m2 – масса реакционного сосуда и реакционной смеси соответственно, кг.

При расчете допустимо принять, что удельная теплоемкость реакционного сосуда пренебрежительно мала (С1=0), из-за его малой теплопроводности. Тогда

ΣС=C2m2

q = (tкон.- tнач.) C2m2

Удельную теплоемкость раствора можно принять равной удельной теплоемкости воды (4,2 кДж/(кг∙К)). При расчете массы реакционной смеси, следует воспользоваться зависимостью

m = V·ρ, где

mмасса реакционной смеси, г;

V — объем реакционной смеси (сумма объемов растворов кислоты и основания), мл;

ρ — плотность реакционной смеси, г/мл. Допускается принять, что плотность реакционной смеси равна плотности воды (1 г/мл).

(обратить внимание на размерность!!!)

Далее следует вычислить молярный тепловой эффект реакции Q:

Qм = q/υ, где

q - количество теплоты, выделившейся при протекании реакции нейтрализации, кДж;

υ – количество продукта реакции, моль.

Поскольку весь эксперимент проводили с использованием растворов сильной кислоты и сильного основания, то в сокращенном ионном виде вся реакция описывается уравнением:

H+ + OH = H2O; ∆Н⁰298 = -57,22 кДж/моль

(Описанным способом можно определить энтальпию нейтрализации только сильных кислот сильными основаниями в разбавленных растворах, так как она не зависит от их природы. При нейтрализации слабых кислот и слабых оснований энтальпия нейтрализации меньше, так как при ионизации кислоты и основания затрачивается энергия).

Следовательно, количество образовавшегося продукта реакции (воды) равно количеству молей ионов H+ или OH-, вступивших в реакцию, то есть количеству, например, прореагировавшей щелочи.

Далее следует вычислить энтальпию реакции нейтрализации:

ΔH = – Qм

III. Вопросы и упражнения

1. Дайте определение понятию «система». Какие системы называют а) открытыми, б) закрытыми, в) изолированными?

2. Что такое «функция состояния»? Является ли температура функцией состояния?

3. При каких условиях тепловой эффект химической реакции численно равен изменению энтальпии?

4. Почему энтальпия нейтрализации сильных кислот и оснований одинакова для различных кислот и оснований?

5. Энтальпия растворения в воде кристаллогидрата CuSO4 · 5H2O и безводного сульфата меди равны соответственно 11,7 кДж/моль и 66,1 кДж/моль. Вычислить энтальпию присоединения 5 молекул воды к молекуле сульфата меди.

6. Определите стандартную энтальпию образования PH3, исходя из уравнения:

2PH3(г.) + O2(г.) = P2O5(кр.) +3H2O(ж.); ΔH˚= -2360 кДж

7. При восстановлении 12,7 г оксида меди (II) углем с образованием СО поглощается 8,24 кДж тепла. Определить ΔH˚298 образования CuO.

IV. Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы

1. Что такое «энтальпия»?

2. При каких условиях тепловой эффект химической реакции численно равен изменению энтальпии?

3. Почему энтальпия нейтрализации слабых кислот и оснований зависит от природы этих веществ, а сильных – не зависит?

4. Расскажите, как вы производили опыт и обоснуйте свои действия.

5. Поясните методику расчета энтальпии в выполненной вами работе.

6. Почему в расчеты допустимо подставить значения температуры, выраженной в ˚С, несмотря на то, что значения теплоемкости выражается в кДж/К?