3. Определение теплоты нейтрализации сильной кислоты

Определение теплоты любого процесса проводят с помощью калориметра, состоящего из реакционного сосуда, снабженного мешалкой и термометром и помещенного в теплоизолирующую оболочку. При определении теплоты изобарного процесса (при ) нейтрализации кислоты реакционный сосуд представляет собой стакан, в котором проводится процесс. В простейшем случае калориметрическая установка имеет вид, представленный на рис. 2. Теплоемкость калориметра складывается из теплоемкости стакана, мешалки, термометра, раствора щелочи и раствора кислоты (во время проведения нейтрализации пробирка не находится в калориметре, поэтому ее теплоемкость не учитывается):

Вычисление теплоемкости проводят с использованием удельных теплоемкостей материалов, из которых изготовлены отдельные части калориметра, а также удельной теплоемкости воды (теплоемкостью самой щелочи и кислоты обычно пренебрегают):

Здесь , и значения удельных теплоемкостей стекла, ртути и воды, Дж/градсм³; , , , и соответственно объем материала, из которого изготовлен стакан (стекло), объем погруженной части мешалки, объем ртути в баллоне термометра Бекмана (теплоемкостью стекла погруженной части термометра можно пренебречь), объем раствора щелочи и раствора кислоты, см³.

Рис. 2. Схема калориметрической установки.

Для определения теплоты нейтрализации раствор кислоты смешивают в реакционном стакане с раствором щелочи. При смешении происходит разбавление как раствора кислоты, так и раствора щелочи, а также собственно нейтрализация, то есть образование воды из гидратированных катионов гидроксония и гидроксид-анионов:

.

В соответствии с этим, в процессе выделяется не только теплота нейтрализации, но и теплоты разбавления:

.

Поскольку для определения берется довольно разбавленный раствор щелочи (~0.1 н), объем которого во много раз больше объема значительно более концентрированного раствора кислоты (~2 н), разбавление раствора щелочи будет гораздо меньшим (от 200 мл до 210 мл), чем раствора кислоты (от 10 мл до 210 мл). По этой причине теплотой разбавления раствора щелочи можно пренебречь, следовательно определяемая теплота будет суммой теплоты нейтрализации и теплоты разбавления кислоты.

Поскольку в результате нейтрализации и разбавления кислоты теплота выделяется, температура калориметра возрастает. В соответствии с тем, что теплоемкость калориметра  это количество тепла, необходимое для нагревания его на один градус:

,

количество тепла, выделившееся в результате смешения растворов щелочи и кислоты легко вычислить, определив повышение температуры калориметра ( ):

, Дж.

Поскольку эта величина является суммой теплот нейтрализации и разбавления раствора кислоты , для вычисления теплоты нейтрализации необходимо отдельно определить теплоту разбавления. Для этого в реакционном стакане смешивают раствор кислоты с дистиллированной водой, объем которой берут в точности равным объему раствора щелочи, и определяют повышение температуры в результате разбавления ( ). Умножив полученную величину на теплоемкость калориметра, вычисляют теплоту разбавления кислоты и затем теплоту нейтрализации:

или окончательно: , Дж.

Определение изменения температуры проводится, как описано ранее в разделе 2. Для этого строят график зависимости относительной температуры калориметра от времени для опыта со смешением кислоты с раствором щелочи, подобный приведенному на рис. 1, а, и отдельно для смешения кислоты с водой. Графически величины определяют, как показано на рис. 1. Для повышения точности каждый из опытов проводят дважды и для дальнейших расчетов берут среднее арифметическое из двух параллельных определений.

Поскольку определение теплоты нейтрализации проводят, используя некоторый избыток щелочи, вычисление теплоты нейтрализации одного эквивалента кислоты проводят делением на число г-эквивалентов кислоты в 10 мл раствора кислоты. Если концентрация раствора кислоты составляет г-экв./л, то в 10 мл содержится 10^-2 г-эквивалентов кислоты. Следовательно, удельная теплота нейтрализации вычисляется как

Дж/г-экв., или кДж/г-экв.

4. Ход работы и обработка полученных результатов

4.1. В реакционный стакан отмеривают 200 мл 0.1 н раствора щелочи и помещают его в калориметр. С помощью пипетки в пробирку отмеривают точно 10 мл раствора кислоты и опускают ее через отверстие в крышке в раствор щелочи. Закрепляют в штативе термометр Бекмана и вручную регулируют мешалку, добиваясь чтобы она не задевала ни за пробирку, ни за термометр. Включают мешалку.

4.2. Убеждаются в том, что уровень ртути в термометре находится в пределах шкалы, а показание термометра не превышает ~3.5 градуса. В противном случае с помощью преподавателя или лаборанта проводят регулировку термометра.

4.3. Оставляют калориметр с работающей мешалкой на ~10 мин для установления теплового равновесия. После этого включают секундомер и в течение 6 мин каждые 30 секунд записывают в таблицу температуру калориметра.

4.4. Быстро вынимают пробирку с кислотой и выливают кислоту в раствор щелочи. Пустую пробирку заменяют пробкой. Не выключая секундомера, продолжают снимать показания термометра еще 8 мин.

4.5. Повторяют опыт с раствором щелочи, как описано в пп. 4.1  4.4.

4.6. Дважды проводят измерения, как описано в пп. 4.1  4.4, заменив раствор щелочи равным объемом дистиллированной воды.

4.7. Строят четыре графика зависимости температуры от времени  два для опытов со щелочью и два  с дистиллированной водой. Для графиков, соответствующих разведению кислоты и нейтрализации, выбирают разные масштабы: 0.02 град/см для разведения и 0.1 град/см для нейтрализации. Рекомендуемый масштаб по оси времени составляет 1 мин/см.

4.8. Графическим путем определяют две величины и находят из них среднее арифметическое. Аналогично находят среднее значение .

4.9. Пользуясь удельными теплоемкостями воды, стекла, ртути, вычисляют теплоемкость калориметра:

, Дж/град.

4.10. Вычисляют теплоту нейтрализации 10 мл раствора кислоты:

, Дж

и удельную теплоту нейтрализации 1 г-экв. кислоты:

, кДж/г-экв,

где – концентрация раствора кислоты в г-экв/л.

Контрольные вопросы к теме: "Калориметрическое определение теплоты нейтрализации."

1. Первое начало термодинамики, его применение к изобарному, изохорному, изобарно-изотермическому процессам.

2. Теплоемкость, зависимость ее от температуры, изобарная, изохорная теплоемкости, соотношение между ними.

3. Теплота растворения, разведения, нейтрализации сильных и слабых кислот.

4. Устройство калориметра, принцип калориметрического определения теплот процессов.

5. Графический метод определения изменения температуры калориметра.

6. Определение теплоты нейтрализации сильной кислоты. Ход работы и обработка полученных данных.

Литература

1. Практические работы по физической химии /Под ред. К.П.Мищенко, А.А.Равделя, А.М.Пономаревой. -Л.: Химия, 1982.-С. 4460.

2. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия.-М.: Высшая школа, 1988.-С. 6072.

СОДЕРЖАНИЕ

	стр.
Работа № 5. ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ КОНСТАНТЫ КИСЛОТНОЙ ДИССОЦИАЦИИ ОДНОЦВЕТНОГО ИНДИКАТОРА ………………………………..…….	3
Работа № 6. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ……………………	22