Лабораторная работа № 1.

ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Химические реакции протекают с выделением или поглощением энергии, чаще всего в виде теплоты. Реакции, при которых теплота выделяется, называются экзотермическими, поглощается — эндотермическими. Количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при химической реакции, называется тепловым эффектом реакции. Тепловой эффект реакции измеряется в единицах энергии – килоджоулях (кДж). Раздел химии, который изучает тепловые эффекты химических реакций, называется термохимией, а уравнения химических реакций, в которых указывается тепловой эффект — термохимическими уравнениями. Выделяющаяся теплота записывается со знаком минус (-ΔH), а поглощаемая — со знаком плюс (+ΔH). Так, например, реакцию горения оксида углерода (П) можно представить термохимическим уравнением

CO_(г)+ ½О_{2 (г)} = СО_{2 (г)}; ΔH = -282,5 кДж.

В термохимии обычно используют уравнения, в которых тепловой эффект относят к 1 моль образовавшегося вещества, применяя в случае необходимости дробные коэффициенты. В термохимических уравнениях следует указывать агрегатные состояния веществ и их аллотропные модификации, поскольку фазовые переходы происходят с поглощением или выделением теплоты.

Экспериментальное определение тепловых эффектов реакций, протекающих в растворах, проводят с помощью калориметрической установки, показанной на рисунке 1.1.

Описание калориметрической установки

Установка состоит из реакционного сосуда 1 и внутреннего стакана 2, который помещен в наружный сосуд из органического стекла 3. Для уменьшения потерь тепла калориметрический сосуд и внутренний стакан не соприкасаются друг с другом, а также со стенками наружного сосуда. Наружный сосуд закрыт крышкой 4, в которой имеются три отверстия: для мешалки 5, воронки 6, через которую вводятся реагирующие вещества и термометра 7. Наружный сосуд установлен на подставке с вертикальной штангой, на которой крепится электромотор, вращающий мешалку.

Рис. 1.1. Схема калориметрической установки

Расчет теплового эффекта реакции

Количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся в калориметре, определяется по формуле

q = k∙c∙m∙Δt, (1.1)

где k = 1,15 — поправочный коэффициент, учитывающий потери тепла при нагревании стеклянных частей прибора; с – удельная теплоемкость раствора, фактически равная удельной теплоемкости воды 4,2 Дж/г∙град; m — масса раствора, равная сумме массы воды и массы растворенных веществ, г; Δt — максимальное изменение температуры раствора в ходе опыта, ⁰С_..

Пересчет теплового эффекта на 1 моль реагирующего вещества (ΔН) производится по формуле

ΔН = - q/n, (1.2)

где n – количество молей реагирующего вещества. Знак ”-“ выбирается для экзотермической реакции, знак ”+” — для эндотермической реакции.

• Опыт. Определение теплоты нейтрализации сильной кислоты сильным основанием

Реакция нейтрализации (реакция взаимодействия кислоты с основанием) сопровождается выделением теплоты. Экспериментально установлено, что при нейтрализации 1 моль сильной одноосновной кислоты (HCl, HNO₃) таким же количеством щелочи (KOH, NaOH) выделяется одинаковое количество теплоты

HCl + NaOH = NaCl + H₂O; ΔH = -56,0 кДж,

HNO₃ + KOH = KNO₃ + H₂O; ΔH = -56,0 кДж.

В краткой ионной форме эти уравнения имеют один и тот же вид

H⁺ + OH^- = H₂O; ΔH = -56, 0 кДж.

Поскольку сильные электролиты практически полностью диссоциированы на ионы, теплота нейтрализации сильной кислоты сильным основанием численно равна теплоте образования воды из ионов H⁺ и OH^-.

Экспериментальная часть

Отмерьте мерным цилиндром 100 мл 0,5 М раствора кислоты (HCl или HNO₃) и вылейте его через воронку (6) во внутренний стакан калориметра (1). В другой мерный цилиндр налейте 100 мл щелочи той же концентрации (NaOH или KOH по указанию преподавателя). Включите мешалку (5) и запишите показания термометра с точностью до 0,1⁰С в течение 3 мин. с интервалом в 30 с. Убедившись, что температура не меняется, примите ее за величину t_нач. Затем влейте через воронку измеренный объем раствора щелочи в раствор кислоты и, непрерывно перемешивая раствор мешалкой, проводите замеры температуры через 30 с, наблюдая ее рост и последующее падение. Результаты измерений занесите в таблицу по образцу

Время от начала опыта τ, мин.	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	4,0	···	10,0
Температура, t 0C									···

По данным таблицы постройте на миллиметровой бумаге график зависимости изменения температуры от времени. На рис.1.2 приведен примерный вид этого графика.

Рис. 1.2. Изменение температуры раствора в ходе реакции

Обработка и оформление полученных результатов

1. Проведите экстраполяцию линейного уменьшения температуры конечного периода на начало реакции и определите конечную температуру процесса t_кон. Таким образом определяется необходимая для расчета теплового эффекта реакции величина Δt = t_кон. – t_нач.

2. Определите массу раствора (г): m = ρ∙V; где V — объем раствора (см³). В расчетах относительную плотность раствора (ρ) следует принять равной плотности воды (1 г/см³), так как в условиях опыта получается достаточно разбавленный раствор.

3. Найдите количество теплоты, выделившейся в опыте (Дж/моль) — формула 1.1.

4. Определите количество молей реагирующего вещества (кислоты или щелочи) — n.

5. Вычислите экспериментальное значение теплового эффекта нейтрализации ΔH_э (кДж/моль) — формула 1.2.

6. Рассчитайте относительную погрешность опыта e (%) = ± [(ΔH_т - ΔH_э)/ ΔH_т] · 100 (%).

7. Составьте термохимическое уравнение проведенной реакции.