Лабораторная работа №6 Тепловые эффекты химических реакций

Тепловым эффектом химической реакции называется суммарное количество тепловой энергии, выделяющейся или поглощающейся системой в ходе реакции при проведении её в условиях постоянной температуры и постоянного давления. Химические взаимодействия, протекающие с выделением энергии, называются экзотермическими, с поглощением – эндотермическими.

Все опыты по определению тепловых эффектов химических реакций проводятся в калориметрах различных конструкций, которые представляют собой как можно лучше изолированный от теплообмена с окружающей средой сосуд с мешалкой и термометром. Простейший калориметр состоит из двух стаканов – внутреннего и внешнего; во внутренний стакан опускаются термометр и мешалка. Во всех опытах условно примем плотности растворов равными 1 г/см³, а теплоёмкости растворов – 4,184 Дж/г·К.

Для данной лабораторной работы вам потребуются следующие реактивы:

1. Магний Mg;

2. Гидроксид натрия NaOH;

3. Серная кислота Н₂SO₄.

Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы:

1. Что называется энтальпией (теплотой) образования химического соединения?

2. Чему равны энтальпии образования простых веществ?

3. Какие термодинамические параметры считаются стандартными?

Опыт №1. Определение теплового эффекта реакции нейтрализации

Реакция нейтрализации является экзотермической, так как происходит с выделением теплоты.

Методика опыта. Во внутренний стакан калориметра наливаем 20 см³ раствора серной кислоты Н₂SO₄ с молярной концентрацией эквивалентов 1 моль/дм³. Запишите начальную температуру данного раствора. Затем добавляем 20 см³ раствора гидроксида натрия NaOH с молярной концентрацией эквивалентов 1 моль/дм³. Запишите максимальную температуру реакции.

В ходе опыта происходит следующая реакция:

Н₂SO₄ + 2 NaOH = Na₂SO₄ + 2 H₂O

Тепловой эффект реакции нейтрализации рассчитываем по формуле:

,

где ρ – плотность раствора, г/см³;

V – объём раствора, см³;

С – удельная теплоёмкость раствора, Дж/г·К;

Δt – разность температур, °С;

100 – коэффициент пересчёта на один моль взятой кислоты;

0,001 – коэффициент пересчёта Дж в кДж.

Запишите расчёт теплового эффекта реакции нейтрализации по вышеуказанной формуле.

Запишите расчёт теоретического значения теплового эффекта реакции нейтрализации ΔН_теор по первому следствию из закона Гёсса: сначала в общем виде, а затем с подставленными табличными значениями энтальпий образования веществ (см. приложение Б).

Относительную ошибку опыта рассчитываем по формуле:

,

где ΔН_теор – теоретическое значение величины теплового эффекта, кДж;

ΔН_опытн – значение величины теплового эффекта, полученное в ходе опыта, кДж.

Запишите расчёт величины относительной ошибки опыта по вышеуказанной формуле.

Сделайте вывод о тепловом эффекте реакции нейтрализации и укажите, с какой ошибкой он был найден в данном случае.

Опыт №2. Определение теплового эффекта реакции взаимодействия металла с кислотой

Реакция взаимодействия металла с кислотой является экзотермической, так как происходит с выделением теплоты.

Методика опыта. Во внутренний стакан калориметра помещаем небольшое количество гранулированного магния Mg и наливаем 2,5 см³ раствора серной кислоты H₂SO₄ с молярной концентрацией эквивалентов 1 моль/дм³.

Запишите, чему была равна температура кислоты на момент начала реакции и какая максимальная температура была достигнута в ходе реакции.

В ходе опыта происходит следующая реакция:

Mg + H₂SO₄ = MgSO₄ + H₂↑

Тепловой эффект реакции взаимодействия металла с кислотой рассчитываем по формуле:

,

где ρ – плотность раствора кислоты, г/см³;

V – объём раствора кислоты, см³;

С – удельная теплоёмкость раствора, Дж/г·К;

Δt – разность температур, °С;

800 – коэффициент пересчёта на один моль взятой кислоты;

0,001 – коэффициент пересчёта Дж в кДж.

Запишите расчёт теплового эффекта реакции взаимодействия металла с кислотой по вышеуказанной формуле.

Запишите расчёт теоретического значения теплового эффекта реакции взаимодействия металла с кислотой ΔН_теор по первому следствию из закона Гёсса: сначала в общем виде, а затем с подставленными табличными значениями энтальпий образования веществ (см. приложение Б).

Относительную ошибку опыта рассчитываем по формуле:

,

где ΔН_теор – теоретическое значение величины теплового эффекта, кДж;

ΔН_опытн – значение величины теплового эффекта, полученное в ходе опыта, кДж.

Запишите расчёт величины относительной ошибки опыта по вышеуказанной формуле.

Сделайте вывод о тепловом эффекте реакции взаимодействия металла с кислотой и укажите, с какой ошибкой он был найден в данном случае.

Вопросы для защиты лабораторной работы:

1. Что такое энтальпия (тепловой эффект) химической реакции?

2. Как называются химические реакции, протекающие с выделением теплоты?

3. Как называются химические реакции, протекающие с поглощением теплоты?

4. Формулировка закона Гёсса.

5. Первое следствие из закона Гёсса.

6. Как рассчитать тепловой эффект реакции по значениям энтальпий образования вступающих в реакцию и образующихся веществ?

7. Второе следствие из закона Гёсса.

Рекомендуемая литература:

1. Н.Л. Глинка. «Общая химия». Главы «Превращения энергии при химических реакциях», «Термохимия», «Термохимические расчеты», «Термодинамические величины. Внутренняя энергия и энтальпия», Стандартные термодинамические величины. Химико-термодинамические расчеты».

2. Е.М. Рыбалкин, О.Ю. Ковалик. «Химия. Учебное наглядное пособие». Глава «Химическая термодинамика».

3. П.Г. Пермяков, М.Х. Ахметов, С.В. Зенцова. «Основные закономерности протекания химических процессов в газообразных и конденсированных системах. Учебное пособие». Глава «Химическая термодинамика».

4. Р.М. Белкина, Р.И. Славкина, В.Ф. Горюшкин. «Энергетика химических процессов. Задания для практических занятий».