Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А.
Количество теплоты измеряют по ее переносу от одного тела к другому. Повышение температуры тела определяется теплоемкостью:
С = Q/T,
Где С – теплоемкость, Q – количество теплоты, полученной телом, Т – изменение температуры тела.
Соответственно, зная теплоемкость и изменение температуры, можно рассчитать количество теплоты, полученное или выделенное телом.
Тепловые эффекты реакций измеряют с помощью специальных приборов – калориметров. Этот термин предложили в 1780 г. французские ученые Антуан Лоран Лавуазье и Пьер Симон Лаплас. Основоположником калориметрии считается английский химик Джозеф Блэк, известный своими работами о природе теплоты.
Простейший калориметр – теплоизолированный сосуд с водой, снабженный мешалкой и термометром. Контейнер, в котором протекает исследуемый процесс (например, химическая реакция), помещают в калориметр и регистрируют изменение температуры воды. Зная теплоемкость калориметра, рассчитывают количество выделившейся теплоты. На рисунке представлена схема строения пламенного калориметра:
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ.
Определение тепловых эффектов химических процессов является задачей термохимии. Термохимические методы имеют большое значение не только в химических, но и в медико-биологических науках. Энергия, необходимая живым организмам для совершения работы, поддержания постоянной температуры тела и т.д., получается организмом за счет экзотермических реакций окисления, протекающих в клетках.
В химических лабораториях применяется простейший калориметр, который состоит из сосуда для проведения химической реакции, помещенного во внешнюю оболочку. Калориметр снабжен термометром, мешалкой для быстрого достижения однородности раствора, и воронкой для введения в сосуд растворов реагирующих веществ. Количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся в калориметре, определяют по общей теплоемкости всех частей калориметра и изменению температуры.
РАБОТА № 1.Определение теплоты реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием.
Цель работы: научиться определять теплоту реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием.
Теплотой нейтрализации называется количество теплоты, которое выделяется при взаимодействии грамм-эквивалента кислоты с грамм-эквивалентом основания. Нейтрализация 1 г-экв. сильной кислоты сильным основанием, в достаточно разбавленном растворе, сопровождается почти одинаковым экзотермическим тепловым эффектом, отвечающим одному и тому же процессу – образованием 1 моля жидкой воды из гидратированных ионов по уравнению:
H+aq + OH-aq H2O(ж), Qнейт.=55.9 кДж/г-экв.
Постоянство теплоты нейтрализации не соблюдается при нейтрализации слабого основания сильной кислотой или наоборот, так как в этих реакциях на тепловой эффект реакции влияет теплота диссоциации слабого электролита.
Выполнение работы. Во взвешенный калориметрический стакан помещают 50 мл 1.0 N раствора щелочи и записывают показание термометра. В отдельный стакан отмеряют 60 мл 1.0 N раствора соляной кислоты и измеряют его температуру. Поместив мешалку и термометр в калориметрический стакан, его закрывают крышкой. Затем, при перемешивании, вливают через воронку раствор кислоты в калориметр и следят за показаниями термометра, отмечая самую высокую температуру.
Результаты опыта записывают в таблицу:
Таблица1. Результаты вычислений.
Масса калориметрического стакана, m1, г. | |
Концентрация растворов, моль/л | |
Объем раствора щелочи, V1, мл | |
Объем раствора кислоты, V2, мл | |
Температура щелочи , tºщ. | |
Температура кислоты, tºк. | |
Начальная температура, tº1=0.5(tºщ.+ tºк.) | |
Температура поле нейтрализации tº2 | |
Общая масса растворов m2=(V1+V2) |
Вычисления:
1. Вычисление теплоты, выделившейся в результате реакции, производят по формуле:
q=(m1c1+m2c2) (t2 – t1)
Удельную теплоемкость стекла (с1) принять равной 0,753 Дж/гград., раствора (с2) – 4,184 Дж/гград., плотность раствора () – 1 г/мл.
2. Чтобы определить теплоту нейтрализации, необходимо пересчитать выделившуюся теплоту на 1 грамм-эквивалент щелочи, так как кислота взята в избытке.
Расчет производят по формуле:
Qнейтр. = q1000/Nщ.Vщ. , Дж/г-экв.
3. Сравнивают опытное и теоретическое значения теплоты нейтрализации и определяют (в%) относительную ошибку опыта:
% ошибки =((Qтеор. – Qопыт.)/ Qтеор)100%
В отчете о работе следует кратко описать ход определения, внести результаты опыта и расчеты.
РАБОТА №2. Определение теплоты растворения соли.
Цель работы: Определить интегральную теплоту растворения хлорида калия. Определить теплоту растворения и гидратации безводного хлорида кальция.
Интегральной теплотой растворения называют количество теплоты, выделяемой или поглощаемой при растворении 1 моля вещества в определенном объеме растворителя.
Интегральная теплота растворения электролитов определяется исходя из двух стадий данного процесса: во-первых, поглощения теплоты, которая расходуется на разрушение кристаллической решетки (Q1), и, во-вторых, выделения теплоты вследствие гидратации или сольватации каждого иона молекулами растворителя (Q2).
Qраств.=-Q1 + Q2
Выполнение работы: Во взвешенный калориметрический стакан наливают 100 мл дистиллированной воды. Отвешивают около 2 г хорошо измельченного хлорида калия KCl с точностью до 0,01г. Записывают температуру воды в калориметре и затем, при перемешивании, через воронку прибавляют навеску соли. При растворении соли температура раствора понижается, в результаты опыта записывают ее минимальное значение.
Данные эксперимента записывают в таблицу2:
Таблица 2. Результаты вычислений.
Масса калориметрического стакана, m1, г. | |
Масса воды, m2, г. | |
Навеска соли, m3, г. | |
Температура воды, t1° | |
Температура раствора соли ,t2° |
Теплоту растворения рассчитывают, используя формулу:
Qраств.=((t2 – t1)cM)/m3
где с=c1m1 +c2m2, М – молярная масса соли.
Удельная теплоемкость стекла (с1) и раствора (с2) указана в работе №1. Интегральная теплота растворения хлорида калия
Qраств.=-17.577 кДж/моль
Таким же образом проводят опыт с безводным хлоридом кальция CaCl2. В калориметрический стакан наливают 50 мл дистиллированной воды, отвешивают около 2 г. хорошо измельченной соли с точностью до 0,01 г.
Определив теплоту растворения безводного хлорида кальция CaCl2, вычисляют теплоту гидратации этой соли, зная теплоту растворения кристаллогидрата CaCl26H2O (Q2=19.08 кДж/моль).
Qгидр.=Q1 р.безв. – Q2 р. гидр.
В отчете о работе кратко опишите ход определения, внесите результаты и расчеты работы.
Примеры решения задач.
Задача №1.Вычислить теплоту гидратации безводной соли Na2SO4.
Решение. Гидратация солей протекает медленно и обычно приводит к образованию смеси кристаллогидратов. Теплоту гидратации можно вычислить, если известны теплоты растворения безводной соли и кристаллогидрата:
Na2SO4 + n Н2О 2Na+ + SO4 2- (раствор)+3.02 кДж
Na2SO410 Н2О +m Н2О раствор Na2SO4 – 78.6 кДж,
Процесс растворения соли можно представить следующей схемой:
Нр.
Na2SO4 + n Н2О 2Na+ + SO4 2- (раствор)
Н (гидр.) Н (раств. крист.)
Na2SO410 Н2О
По закону Гесса: Нр =Н (гидр.) +Н (раств. крист.).
Тогда Н (гидр.)= Нр - Н (раств. крист.) = 3.02 – (-78.6) = 81.62 кД/моль.
Задача № 2. Вычислить константу равновесия реакции:
NH3 + HCl NH4Cl (тв.)
Решение. Прежде всего, определим Gр. реакции, используя следствие из закона Гесса. Находим по справочнику термодинамических величин значение G веществ, входящих в уравнение реакции:
Gf° (NH3) = -16.7 кДж/моль, Gf° (HCl) = -95.4 кДж/моль,
Gf °(NH4Cl) =-203.7 кДж/моль.
По следствию из закона Гесса: G°p.f=jG°j - iG°I
G°p.f = Gf °(NH4Cl) –(Gf° (NH3) +Gf° (HCl)
G°p.f =-203.7 –(-16.7 + (-95.4)) = -91.6 кДж,
Теперь воспользуемся уравнением, связывающим G и Кс реакции:
Gр. = - 2,303RTlg Kc
Gр.° = -2.303 8.314298 lg Kc =-569lg Kc
-91.6 = -5.69 lg Kc
lg Kc 16, т.е. Kc = 1/[ NH3] [HCl] =1016
Большое значение константы равновесия показывает, что при стандартной температуре равновесие реакции сильно смещено в сторону прямой реакции.
Задача № 3.Рассчитать будет ли протекать при 25°С реакция?
2NO2 N2O4 + 57.9 кДж/моль
Решение: Согласно термохимическому уравнению реакции:
Нр.° = - 57.9 кДж/моль
Найдем по таблице термодинамических величин значения энтропии для веществ, входящих в реакцию, и рассчитаем значение энтропии реакции:
S°( NO2) =240.2 Дж/мольК, S°( N2O4 ) =304.0 Дж/мольК,
S°p.f=jS°j - iS°i
S°p = S°(N2O4) – 2 S°(NO2) = 304.0 –2 240.2 =-176.4 Дж/мольК
Найдем значение Gр.° используя уравнение Гиббса:
G =Н - ТS
G°= -57900 – 298(-176.4) =-5323.8 Дж =-5.33 кДж
G< 0, однако, малость ее величины указывает, что реакция димеризации при 25°С практически не осуществима.