21

Лабораторная работа №1 химическая термодинамика

1. Определение изменения энтальпии реакции нейтрализации

Д

ля проведения эксперимента необходимо взять (по указанию преподавателя) один из растворов сильной кислоты (HCl, H₂SO₄, HNO₃) и один из растворов щелочи (NaOH, KOH) заданных концентраций. Составьте уравнение реакции между указанными кислотой и щелочью в молекулярном и ионном виде.

О

Рис.1. Схема калориметрической установки

пыт проводят в калориметрической установке, упрощенная схема которой показана на рисунке 1. Установка состоит из двух алюминиевых стаканов, вставленных один в другой и изолированных друг от друга корковыми или резиновыми прокладками в целях уменьшения потерь тепла. Во внутренний стакан калориметра помещается стеклянный химический стакан, в котором и проводится опыт.

Взвесьте калориметрический стеклянный стакан. Измерьте его диаметр и высоту с точностью до 1 мм. При помощи мерных цилиндров точно отмерьте равные объемы (20‑25 мл, объем указывает преподаватель) растворов кислоты и щелочи равных концентраций; при этом необходимо воспользоваться разными цилиндрами, маркированными соответственно буквами «К» и «Щ». В стеклянный стакан калориметра, предварительно вытащив его из калориметрической установки, аккуратно, без потерь, внесите отмеренный объем раствора щелочи. Стакан с раствором щелочи вновь поместите в калориметрическую установку. Измерьте температуру раствора кислоты при помощи ртутного термометра с точностью до 0,1⁰С. Ополоснув термометр дистиллированной водой, c той же точностью измерьте температуру раствора щелочи, находящегося в стеклянном стакане калориметра. Не вынимая термометра из раствора щелочи, быстро и без потерь прилейте к нему весь раствор кислоты. При помощи термометра аккуратно перемешайте полученный раствор и отметьте максимальную температуру, которую покажет термометр. После этого вытащите стеклянный стакан из калориметрической установки и измерьте высоту столба жидкости в нем. С помощью ареометра измерьте плотность полученного раствора.

Результаты опыта внесите в таблицу.

На основании полученных данных рассчитайте изменение энтальпии реакции нейтрализации.

Кислота

Щелочь

tнач.,°С растворов кислоты и щелочи до начала опыта (tК + tЩ)/2

tкон..,°С раствора после проведения реакции нейтрализации

r, г/см3 раствора после проведения реакции нейтрализации

Стакан

СМ, моль/л

V, мл

tК,°С до начала опыта

СМ, моль/л

V, мл

tЩ,°С до начала опыта

масса, г

диаметр, см

высота, см

высота столба жидкости после опыта, см

Пояснение к расчетам:

1. Вычисление теплоты, выделившейся в ходе опыта, проводится по формуле:

Q = (m_р‑раС_р‑ра + m_стеклаС_стекла)Dt (Дж),

где Dt = t_кон. – t_нач; С_р‑ра и С_стекла – удельные теплоемкости раствора (С_р‑ра примем равной теплоемкости воды, С_воды = 4,184 Дж/г К) и стекла (С_стекла = 0,753 Дж/г К); m_р‑ра и m_стекла – массы раствора после проведения реакции и стакана, занятого раствором. Массу раствора можно определить, зная его плотность и объем (определяем как сумму объемов исходных растворов кислоты и щелочи, при этом, правда, пренебрегаем контракцией). Массу стакана, занятого раствором, можно оценить по пропорции, предварительно вычислив его общую площадь и площадь, занятую раствором.

2. Зная концентрации и объемы исходных растворов, вычислить количества n кислоты и щелочи, взятые для проведения реакции. По найденной величине сделать пересчет выделившегося количества тепла на 1 моль Н⁺ (ОН^‑).

3. Рассчитать значение изменения энтальпии реакции нейтрализации по табличным данным (DН_обр.⁰(Н⁺) = 0, DН_обр.⁰(ОН^‑) =‑230,19, DН_обр.⁰(Н₂О_(ж)) = ‑285,83 кДж/моль). Определить (в %) относительную ошибку опыта.

Почему реакция нейтрализации сопровождается выделением тепла? Почему тепловой эффект реакции нейтрализации сильного основания сильной кислотой не зависит от природы кислоты и основания? относится ли то же самое к слабым кислотам и основаниям и почему?

	DG0f, кДж/моль
Mn2+	‑227,1
Fe2+	‑78,96
Cu2+	65,61
Zn2+	‑147,26
MnS	‑219,36
FeS	‑100,8
CuS	‑53,6
ZnS	‑200,7
H2S	‑27,9
H2O	‑237,24

2. Определение вероятности протекания реакции

Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций растворения сульфидов марганца, железа, меди и цинка в разбавленной серной кислоте и, выполнив по данным таблицы необходимые расчеты, определите, растворение каких сульфидов термодинамически вероятно, а каких – нет.

Пользуясь растворами солей марганца, железа, меди и цинка и раствором сульфида натрия, осадите в четырех пробирках указанные сульфиды, осадки промойте дистиллированной водой методом декантации, а затем добавьте к каждому из них 2‑3 мл разбавленного раствора серной кислоты. Что происходит? Сравните данные опыта с результатами расчета.