Лабораторная работа №4 измерение тепловых эффектов химических реакций и расчет энергии гиббса процессов

Цель работы: выполнение калориметрических измерений и термодинамических расчетов, связанных с энергетикой химических реакций.

В любом процессе соблюдается закон сохранения энергии: теплота, подведенная к системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии U и на совершение системой работы А над внешней средой (первый закон термодинамики):

q=U + A

Если химическая реакция протекает в открытом сосуде при постоянной температуре (р, T=const) и единственным видом совершаемой работы является работа расширения (А=р V), то тепловой эффект этой реакции равен изменению энтальпии системы:

q_P,T = U +рV = H,

где: H=U+pV

При Н > 0 (когда теплота подводится к системе из окружающей среды и q < 0) реакцию называют эндотермической. При Н < 0 (когда теплота выделяется в окружающую среду и q > 0) реакцию называют экзотермической.

Если в уравнении химической реакции указан ее тепловой эффект, уравнение называют термохимическим. Например,

N_2(г) + ЗН_2(г) = 2NH_3(г), Н°₂₉₈ = - 92,4 кДж

При записи .термохимческих уравнений указывают:

а) агрегатные состояния или аллотропные модификации веществ;

б) условия протекания процесса (Н°₂₉₈ – стандартный тепловой эффект реакции при 298 К).

Тепловой эффект химической реакции зависит от количества реагирующих и получающихся веществ. Так, например, при нейтрализации в водном растворе 0,1 моль NaOH избытком соляной кислоты выделяется 5,7 кДж теплоты, а при нейтрализации 10 моль NaOH – 570 кДж.

Возможность и пределы самопроизвольного протекания реакции при p,T = const определяют с учетом энергии Гиббса G = H – TS, где Н – энтальпия, S – энтропия, Т – температура.

Изменение энергии Гиббса в ходе химической реакции G называют энергией Гиббса химической реакции. В тех случаях, когда G  0 реакция протекает самопроизвольно. Пределом самопроизвольного течения реакции является условие G = 0.

Величины Н, S и G вычисляют на основании следствий из закона Гесса. Изменение энтропии S, энергии Гиббса химической реакции G так же, как тепловой эффект реакции Н, зависят от количества веществ в системе.

Опыт 1. Определение теплоты нейтрализации сильной кислоты сильным гидроксидом и расчет энергии Гиббса

Для измерения тепловых эффектов реакций калориметры или калориметрические установки (рис. 1). В наружный сосуд (стакан на 0,8 л) вставляется калориметрический стакан меньшей вместимостью (0,5 л). во избежании потерь теплоты через стенки стакана между сосудами располагают пробковые прокладки. Калориметрический стакан закрывают деревянной крышкой с отверстиями для термометра (цена деления 0,1 К), мешалки и воронки. Мешалку присоединяют к электромотору или приводят в движение вручную. Теплоту, выделяющуюся или поглощающуюся в калориметре вычисляют по формуле q =  c(T₂ – Т₁), где Т₂ и t₁ - конечная и начальная температура жидкости в калориметрическом стакане; с - теплоемкость системы, равная c₁m₁ + с₂m₂ (m₁ и m₂ – массы калориметрического стакана и жидкости в стакане; с₁ и с₂ - удельные теплоемкости стекла и жидкости).

Согласно теории электролитической диссоциации нейтрализации сильной кислоты сильным основанием в разбавленном растворе отвечает уравнению Н ⁺ + ОН ^- = Н₂О. Стандартная теплота нейтрализации сильной кислоты сильным основанием равна при 298 К – 55,9 кДж на один моль образующейся воды.

Энтропия системы рассматривается в термодинамике как мера неупорядоченности системы.

Данные опыта сведите в таблицу:

По полученным данным определите:

1.Разницу температур (Т₂ – Т₁);

2.Массу жидкости (m₂) в калориметрическом стакане (при расчете считать плотность жидкости равной единице);

3.Теплоемкость системы (при расчете считать удельную теплоемкость стекла с₁ = 0,7510³ Дж/(кгК), а удельную теплоемкость раствора с₂ = 4,1810³ Дж/(кгК);

4.Количество теплоты q, выделившейся при реакции;

5.Число молей нейтрализованной кислоты (щелочи) или число молей полученной воды (n ), учитывая заданную молярную концентрацию и объем раствора;

6.Теплоту нейтрализации Н (кДж/моль Н₂О);

7.Сравните полученную теплоту нейтрализации с теоретической и рассчитайте абсолютную и относительную ошибку опыта;

8.Запишите термохимическое уравнение проведенной реакции нейтрализации;

9.Объясните убыль энтальпии в процессе нейтрализации сильной кислоты сильным основанием.