химия лабораторный практикум

100

При взаимодействии моль-эквивалента сильной кислоты с сильным основанием в разбавленных водных растворах выделяется почти одинаковое количество теплоты ∆H= - 55,9 кДж /моль при 298 К. Постоянство теплот нейтрализации связано с тем, что при взаимодействии сильных кислот и оснований, полностью диссоциированных в водных растворах, из ионов Н+, (точнее из ионов гидроксония – Н3О+) кислоты и ионов ОН- основания образуются молекулы воды:

H+ +Cl- + K+ + OH- = Cl- + K+ + H2O (ж).

При определении тепловых эффектов реакций нейтрализации необходимо учитывать, что при сливании растворов кислоты и основания происходит изменение объемов, т. е. нужно учитывать еще две промежуточные теплоты разбавления.

Рекомендации по проведению расчетов

В данной работе к большому объему щелочи прибавляется небольшой объем кислоты, поэтому объем щелочи мало изменится при вливании в нее кислоты, теплота разведения щелочи кислотой мала, и ею можно пренебречь. Теплота разведения кислоты щелочью в этом случае велика, и ее нужно учитывать при определении теплоты нейтрализации.

Тогда q1 = q + q2; и q = q1 где q – теплота нейтрализации;

q1 – теплота нейтрализации и разведения; q2 – теплота разведения.

Изменение температуры ∆Т, как для процесса нейтрализации, так и для процесса разведения определяют графически.

Теплоту нейтрализации определяют по формуле

где m1с1 – масса и теплоемкость щелочи; m2с2 – масса и теплоемкость кислоты; m3с3 – масса и теплоемкость воды;

∆Т1, ∆Т2 – разность температур при нейтрализации и разведении соответственно. Если принять, что теплоемкости щелочи и кислоты приблизительно равны теплоемкости воды (с1 = с2 = с3 = с), то формула для расчета теплоты нейтрализации примет вид:

102

1.Универсальный контроллер подключается к персональному компьютеру через СОМ-порт с помощью специального соединительного шнура.

2.При включенном контроллере необходимо запустить программу управления УЛК «Химия» — elsms2.exe.

3.В появившемся окне инициализации («Добро пожаловать в УЛК») необходимо выбрать вариант работы с УЛК - «Работа с контроллером» или «Загрузить работу» и войти в программу управления УЛК путем нажатия кнопки «Вход». При выборе «Загрузить работу» можно загрузить сохраненную ранее лабораторную работу.

4.Далее попадаем в окно управления программой. Включаем термодатчик (1-й или 2-й измерительный канал) и активируем контроллер.

5.При проведении эксперимента измеряется температура, поэтому нужно установить в соответствующем окне интервал измерений и число измерений.

6.Так как измерение производится при перемешивании, необходимо установить интенсивность перемешивания (например - 3) и включить мешалку кнопкой «Мешалка».

7.В ходе проведения работы может проводиться несколько опытов, поэтому для каждого эксперимента необходимо указывать, например, массу навески. (Тогда в правом верхнем углу графика будет указана масса навески.) Для этого

вгруппе элементов «Дополнительный параметр» необходимо выбрать пункт «Общий» и в поле «Значение» указать массу навески. Размерность указывается в поле «Размерность».

8.Измерение начинают включением кнопки «Измерение». При этом появиться окно состояния измерения — «Обмен данными с контроллером».

9.Измерение следует заканчивать после растворения соли тогда, когда изменение температуры будет незначительным и равномерным. Измерение заканчивается путем нажатия кнопки «СТОП». При этом экспериментальные данные автоматически запоминаются и установка переходит в режим управления.

103

Для проведения следующих измерений необходимо нажать кнопку «Текущее состояние» и выполнять работу согласно пп. 5-8.

Обработка результатов

1. После проведения всех экспериментов мы получим первичные данные зависимости температуры от времени, хранящиеся в памяти. Для построения экспериментальных графиков необходимо перейти на экран «Графики». Добавление графика осуществляется после нажатия кнопки |в специальном окне, в котором определяется соответствие между координатами графика и данными, полученными на измерительных каналах или временем. Необходимо выбрать для оси абсцисс (х) «Время», а для оси ординат (у) - требуемый канал (в нашем случае - 1. «Термодатчик»).

Остальные графики строятся аналогичным образом. В дальнейшем переключение между графиками осуществляется кнопками «◄ » и «► » в правой части управляющей палитры. Там же отображается номер эксперимента. Значение дополнительного параметра отображается в правом верхнем углу графика.

2. Необходимые для определения изменения температуры ∆Т линии проводятся следующим образом. Нажимаем кнопку «прямая линия» ( \ ), подводим курсор к соответствующей точке графика и, нажав один раз левую клавишу

104

«мышки», устанавливаем начальную точку лини. Зафиксировать линию нужно повторным нажатием кнопки (отменить - правой кнопкой «мышки»). Для измерения ∆Т, вначале убираем «галочку» в поле «Измерения на суммарный график», а затем проводим вертикальную линию до пересечения с полученными линиями. Для этого нажимаем кнопку «линейка», устанавливаем курсор на одной из линий и проводим вертикальную линию. В секторе «Результат» «dY» появится значение ∆Т .

3.Изменить масштаб графика можно с помощью кнопок, расположенных в левом верхнем углу. Проведенные линии можно убрать, используя соответствующие режимы. В режиме «прямая линия» подвести курсор к линии и нажать правую кнопку «мыши».

4.Полученные графики могут быть распечатаны на принтере с сохранением выбранного масштаба и элементов оформления. Для этого необходимо перейти в окно «Отчет» и выбрать требуемые для печати графики.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Какие процессы изучает термохимия?

2.Какие процессы определяют теплоту растворения твѐрдых веществ?

3.Как графически определить изменение температуры ∆Т?

4.Что представляет собой реакция нейтрализации?

5.Что такое сильные электролиты?

105

6.Чем объясняется постоянство теплот нейтрализации при взаимодействии сильных кислот и оснований?

Лабораторная работа № 9

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

Опыт 1. Изучение кинетики реакции разложения карбамида в водных растворах методом электропроводности

Цель опыта: определить величину константы скорости и энергию активации реакции разложения карбамида в водном растворе. Для этого необходимо:

-снять зависимость электропроводности раствора от времени протекания реакции при заданной температуре;

-определить величину константы скорости реакции разложения карбамида в водном растворе при заданной температуре.

-рассчитать энергию активации данной реакции, воспользовавшись значениями константы скорости разложения при других температурах, полученными другими исследователями.

Теоретическая часть

Результаты многочисленных исследований этой реакции указывают на то, что первым этапом разложения карбамида в водных растворах является его изомеризация – превращение в цианат аммония с последующим переходом из цианата в карбонат и далее — в аммиак и углекислоту:

CO(NH2)2 NH4CNO,

NH4CNO (NH4)CО3 2 NH3 + СО2 + Н2О.

Реакция превращения цианата в карбонат протекает практически необратимо. Такого рода разложение с заметной скоростью происходит лишь в водных растворах и при повышенных температурах (50 оС и более), причем протекает по мономолекулярному механизму. В ходе реакции водный раствор органического вещества CO(NH2)2 с ковалентными связями превращается в раствор диссоциирующей на ионы соли NH4CNO, поэтому электропроводность его со временем растет. Это дает возможность измерять скорость реакции, так как приращение электропроводности можно считать пропорциональным концентрации конечного продукта. Влиянием присутствия переменного количества карбамида можно пренебречь.

106

Как уже указывалось, исследуемая реакция является реакцией первого порядка, поэтому расчет константы скорости реакции ведется по уравнению

где c0 – начальная концентрация карбамида; х – концентрация карбамида, прореагировавшего к данному моменту времени; с0-х – концентрация карбамида, не прореагировавшего к данному моменту времени; t – время данного замера от начала реакции.

Принимаем, что увеличение электропроводности во времени пропорционально количеству образовавшегося карбоната или количеству прореагировавшего карбамида.

Обозначим: χ0 – электропроводность раствора в момент начала реакции; χt – электропроводность в данный момент времени t; χ∞ – электропроводность, соответствующая последнему измерению, когда процесс разложения мочевины полностью закончен.

Тогда, с0 = const(χ∞ – χ0), (с0 – х) = const(χ∞ – χ0) – const(χ∞– χt).

Таким образом, расчеты можно проводить по уравнению

Величину χ0 непосредственно экспериментально определить не удается, так как от начала реакции до первого измерения проходит некоторое время. Поэтому, величину χ0 находят экстраполяцией, для чего строят график в координатах ln(χ∞– χt).и затем вычисляют χ0 .

Вычислив константу скорости реакции для каждого момента времени, определяют ее среднее значение и сравнивают с величиной k, полученной графическим путем по тангенсу угла наклона прямой к оси t на графике ln(χ∞-χt)-t.

По двум константам скорости, при двух температурах, по уравнению Аррениуса рассчитывают величину энергии активации для данной реакции:

Вторую константу скорости берут у экспериментаторов, которые провели аналогичный опыт при другой температуре.

Экспериментальная часть

107

Приборы и реактивы

1.Учебно-лабораторный комплекс «Химия» в следующей комплектации: - центральный контроллер;

- модуль «Электрохимия» в комплекте с электродами для измерения электропроводности; - модуль « Термостат» в комплекте со стаканчиком (на 150 см3), мешалкой и

датчиком температуры;

2.Карбамид, дистиллированная вода.

Порядок проведения эксперимента

1.Термостат наполняют дистиллированной водой (примерно 130 см3) и устанавливают в него стаканчик со 100 см3 дистиллированной воды (уровень воды в термостате должен быть выше уровня рабочего раствора в стаканчике). Термостат закрывают крышкой и устанавливают электроды для измерения электропроводности и термодатчик. Электроды в стакане устанавливаются так, чтобы они были ниже уровня раствора на 0,5–1 см.

2. Подключение электродов и термодатчика производят согласно параграфу «Управление УЛК с помощью компьютера».

3.Устанавливают термостат на поддержание требуемой температуры (50, 60 или 70 0С). Обеспечивают перемешивание воды в стаканчике и, когда температура в нем установится на требуемом уровне, переходят к выполнению следующего пункта.

4.Растворить навеску (1 г) карбамида. Через 1 минуту после начала растворения карбамида начать измерения электропроводности (этот момент берется за момент начала реакции).

5.Проводят измерение электропроводности раствора (χ) в течение 30 мин с интервалом в три минуты.

6.Чтобы довести реакцию практически до конца и определить значение χ∞, температуру в термостате необходимо поднять до 95 0С и выдержать раствор в течение 1-го часа. Затем охладить раствор до первоначальной температуры и определить его электропроводность.

Управление УЛК с помощью компьютера

1. Универсальный контроллер подключается к персональному компьютеру через СОМ-порт с помощью специального соединительного кабеля.

108

2.При включенном контроллере необходимо запустить программу управления УЛК «Химия» — elsms2.exe.

3.В появившемся окне инициализации («Добро пожаловать в УЛК») необходимо выбрать вариант работы с УЛК — «Работа с контроллером». При правильно подсоединенном модуле и контроллере справа должны быть надписи: «Контроллер активен» и ниже «Модуль: Термостат». Затем необходимо войти в программу управления УЛК путем нажатия кнопки «Вход».

4.Далее попадаем в окно управления программой. Соответствие между измерительными каналами и датчиками происходит автоматически, необходимо лишь включить используемые в работе датчики. Необходимо включить «Термодатчик» на первом канале.

Для выполнения опыта необходимо включить измерение проводимости. Для этого нужно курсором поставить «галочку» в поле шестого канала.

5.При проведении эксперимента измеряется электропроводность раствора, поэтому нужно установить в соответствующем окне интервал между измерениями и число измерений. Включить поле «Усреднение». Также нужно ввести температуру проведения эксперимента в качестве дополнительного параметра. Для этого в группе элементов «Дополнительный параметр» необходимо включить поле «Использовать дополнительный параметр», включить пункт «Общий» и

вполе «Значение» указать эту температуру (по шкале Кельвина). Размерность указывается в поле «Размерность».

6.Когда температура в реакционном пространстве приблизится к требуемой, можно начинать проведение эксперимента. При выполнении опыта выгружают

109

навеску мочевины с помощью предварительно установленного устройства выгрузки соли. Через одну минуту (после полного растворения мочевины), мешалку выключают и производится запуск измерений путем нажатия кнопки «Измерение».

7. Появится окно состояния измерения - «Обмен данными с контроллером».

В ходе проведения измерений в окне «Графики» будет отображаться кривая изменения измеряемого параметра — температуры, электропроводности раствора во времени. Для выбора нужной зависимости необходимо выбрать соответствующий канал.

8.После окончания цикла измерений необходимо снова перейти в окно управления, установить температуру термостата на 97 °С и продолжить проведение опыта при повышенной температуре в течение 1-го часа. Затем охладить раствор до первоначальной температуры и определить его электропроводность.

9.Измерение заканчивается путем нажатия кнопки «Стоп». После этого экспериментальные данные передаются в программу.

10.Для проведения опытов при других температурах необходимо перейти

вокно «Управление» и нажать кнопку «Текущее состояние». Далее можно продолжить выполнение работы начиная с п. 5.

Обработка результатов

1. После проведения всех измерений мы получим первичный график зависимости электропроводности от времени.