Работа 2. Энергетика химических превращений
Цель работы: определить теплоту нейтрализации сильного основания сильной кислотой, сравнить опытное и теоретическое значение, определить относительную ошибку опыта, определить теплоту растворения гидроксида натрия (щавелевой ки-слоты).
Краткая теория
Область химии, которая занимается исследованиями изменений энтальпий при протекании химических реакций и фазовых превращений, называется термохимией. Экспериментальная методика, используемая для определения энтальпии, называется калориметрией.
Тепловые эффекты реакций определяют как экспериментально, так и с помощью термохимических расчетов. Невозможно определить абсолют¬ные значения внутрен-ней энергии и энтальпии. Но для термохимических рас¬четов это несущественно, т.к. интересует энергетический эффект процесса, т.е. изменение состояния системы – изменение энтальпии ΔН и изменение внутренней энергии ΔU.
При экзотермических реакциях теплота выделяется, т.е. уменьшается энтальпия или внутренняя энергия системы, для них ΔН < 0 и ΔU < 0.
При эндотермических реакциях теплота поглощается, т.е. ΔН > 0 и ΔU > 0. Вели-чину ΔН иногда называют теплотой реакции.
Для того чтобы можно было сравнивать энергетические эффекты различных про-цессов, термохимические расчеты обычно относят к 1 моль ве¬щества и стандарт-ным условиям.
За стандартные условия принимают давление 101325 Па (1 атм) и температуру 25°С (298,15К). Стандартные тепловые эффекты обозначают ΔН°298 (ΔU°298).
Уравнения химических реакций с указанием теплового эффекта называют тер-мохимическими уравнениями. В термохимических уравнениях указывается также фазовое состояние и полиморфная модификация реа¬гирующих и образующихся веществ:
г - газовое, ж - жидкое, к - кристаллическое, т - твердое, р - растворенное и т.д.
Стандартной молярной энтальпией образования называется тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых веществ (ΔН°f,298) Стандартные энтальпии образования простых веществ, устойчивых в стандартных условиях прини-мают равными нулю.
Стандартной молярной энтальпией реакции назыавается изменение энталь¬пии при стандартных условиях в расчете на 1 моль реакции, т.е. в соответствии с тем, как она описывается стехиометрическим химическим уравнением.
Стандартной молярной энтальпией нейтрализации называется из¬менение энтальпии при образовании 1 моль воды в результате нейтрализации каких-либо кислоты и щелочи при температуре 298 К и давлении 101325 Па.
Стандартной молярной энтальпией гидратации называется количество теплоты, которое выделяется при переходе 1 моль ионов из вакуума в водный раствор.
Калориметрия
Калориметр - это теплоизолированный сосуд, используемый для измерения количества энергии, высвобождаемой или поглощаемой в результате химической реакции или физического превращения.
Типичный калориметрический эксперимент состоит в том, что энергия, выделяющаяся в результате химического превращения, передается воде или самой реак-ционной смеси, после чего измеряется повышение их температуры. Энергия, выделяемая в ходе реакции, определяется следующим соотношением:
Q = (Cсосуд + m • C содерж) • ΔT,
где Q - энергия, переданная в форме тепла сосуду и его содержимому; Ссосуд - тепло-емкость сосуда; m - масса содержимого сосуда (вода или реакционная смесь); Cсодерж - удельная теплоемкость содержимого и ΔТ - изменение температуры.
Приближенные измерения измене¬ний энтальпий для реакций в растворах можно проводить с помощью простейшего калори¬метра, в качестве которого достаточно исполь¬зовать калориметрическую установку, показан¬ную на рисунке. Она состоит из калориме¬трического стакана 2, вставленного в другой стакан 1. Во избежание потерь теплоты через стенки, калориметрический сосуд и внешний стакан не должны соприкасаться. Калориметрический стакан имеет крышку 3, в которую через отверстия вставлены термометр 4, мешалка 6 и воронка 5 для внесения веществ в стакан.
Экспериментальная часть
Опыт 1. Определение теплоты нейтрализации.
Приготовьте по 100 мл 1,0 М растворов гидроксида натрия NaOH и соляной кислоты HCl. Взвесьте калориметрический стакан. Внесите в него приготовленный раствор щелочи и отметьте температуру с точностью до 0,1°С. Измерьте температуру раство-ра кислоты с той же точностью. Затем раствор кислоты влейте в калориметрический стакан при непрерывном помешивании. Отметьте максималь¬ную температуру, кото-рую покажет термометр после сливания растворов.
Вычислите количество теплоты, выделившейся при реакции.
Обработка экспериментальных данных
Молярное изменение энтальпии в рассмотренной реакции нейтра¬лизации равно:
ΔНн = [Qp/ n(H2O)], (1)
где Qр - тепловая энергия, выделившаяся в ходе эксперимента; n – число молей воды, образовавшейся в результате эксперимента. Знак " - " указывает на то, что в данном процессе происходит выделение энергии (система теряет энергию).
1. Определить величину Qр.
Поскольку реакция проводится при Р - const, то Q = Qр, теплоемкость калори-метрического стакана пренебрежимо мала, это позволяет воспользоваться для вычис-ления Qр уравнением:
Q = mж • Сж • ΔT (кДж), ΔT = Ткон – Тнач (2)
где mж – масса содержимого сосуда, Сж – удельная теплоемкость р-ра.
Принять, что начальная температура - это среднеарифметическая температура кислоты и щелочи, а конечная – это наивысшая температура после сливания раство-ров. Плотность и удельная теплоемкость реакционной смеси совпадают с аналогич-ными свойствами воды (плотность раствора равна единице, удельная теплоемкость раствора – 4,18•103 Дж/(К• кг).
2. Определить количество молей воды n (H2O).
Реакция протекает по уравнению:
HCl (p) + NaOH (p) → NaCl (p) + H 2O (p)
n (HCl) = n (H 2O), n (H 2O) = V • c, (3)
где V- объем HCl , взятый для реакции, дм3; с – концентрация HCl (1 моль/дм3 ).
3. Определить теплоту нейтрализации ΔНн по формуле (1).
4. Сравнить полученный результат с теоретическим значением, вычисленным для ре-акции
Н+(р)+ОН(р)→H2O(ж), ΔН°298,н =55,6кДж/моль H2O
0 230,19 285,83
(под формулами веществ приведены стандартные энтальпии (теплоты) образования Δ Н°f,298).
5. Определить относительную ошибку опыта (%).
(%) = [(Хi - Хдейств)/ Хдейств] • 100, (4)
где Хi - ΔНн, Хдейств = 55,6 кДж/моль H 2O.
Опыт 2. Определение теплоты растворения гидроксида натрия (щавелевой кислоты).
Подготовьте калориметрический стакан, налейте в него 45 мл дистиллированной воды, определите ее температуру с точностью до 0,1 К.
Отвесьте около 5 г гидроксида натрия (щавелевой кислоты). Быстро и аккуратно высыпьте щелочь в калориметрический сосуд. Осторожно перемешивая раствор, следи-те за изменением температуры. Отметьте наивысшую температуру.
Обработка экспериментальных данных
1. Вычислить количество теплоты, выделившейся при растворении гидроксида натрия (щавелевой кислоты).
За начальную примите температуру воды, а за конечную - наивысшую температуру раствора. Пусть плотность раствора равна единице (ρ(р) = 1 г/см3), его удельная теплоемкость - удельной теплоемкости воды [4,18•103 Дж/(К• кг)]:
Qp = m (p) • С (p) • ΔТ, ΔТ = Ткон - Тнач , (5)
где m(p) - масса раствора, С(p) - удельная теплоемкость раствора.
2. Определить количество молей гидроксида натрия (щавелевой кислоты) по формуле:
n [(NaOH)] = m/M(NaOH),n[(COOH)2]=m/M[(COOH)2] (6)
М [(NaOH)] = 40,0г/моль, М [(COOH)2] = 90,04г/моль.
Процесс растворения щавелевой кислоты можно представить следующими уравне-ниями:
НООССООН (К) + 2Н2О (ж) = НООССООН • 2Н2О (к),ΔН°гидр
НООССООН•2Н2О(к)+nН2О(ж)=НООССООН(р)+(n+2)Н2О (р),ΔН°1
НООССООН(К)+(n+2)Н2О(ж) = НООССООН(р)+(n+2)Н2О(р),
ΔН°гидр + ΔН°1 = ΔН°2
Процесс растворения гидроксида натрия можно представить следующими уравне-ниями:
NaOH (к) + Н2О (ж) = NaOH • Н2О (к), ΔН°гидр
NaOH • nН2О (к) + nН2О (ж) = NaOH (р) + nН2О (р),ΔН°1
NaOH (к) + (n+1)Н2О (ж) = NaOH (р) + (n+1)Н2О (р),
ΔН°гидр + ΔН°1 = ΔН°2
3. Определить теплоту растворения ΔН°2 в кДж/моль.
ΔН°2 = Qp/n[(COOH)2] или ΔН°2 = Qp/n[(NaOH)] (7)
Цель работы: определить теплоту нейтрализации сильного основания сильной кислотой, сравнить опытное и теоретическое значение, определить относительную ошибку опыта, определить теплоту растворения гидроксида натрия (щавелевой ки-слоты).
Краткая теория
Область химии, которая занимается исследованиями изменений энтальпий при протекании химических реакций и фазовых превращений, называется термохимией. Экспериментальная методика, используемая для определения энтальпии, называется калориметрией.
Тепловые эффекты реакций определяют как экспериментально, так и с помощью термохимических расчетов. Невозможно определить абсолют¬ные значения внутрен-ней энергии и энтальпии. Но для термохимических рас¬четов это несущественно, т.к. интересует энергетический эффект процесса, т.е. изменение состояния системы – изменение энтальпии ΔН и изменение внутренней энергии ΔU.
При экзотермических реакциях теплота выделяется, т.е. уменьшается энтальпия или внутренняя энергия системы, для них ΔН < 0 и ΔU < 0.
При эндотермических реакциях теплота поглощается, т.е. ΔН > 0 и ΔU > 0. Вели-чину ΔН иногда называют теплотой реакции.
Для того чтобы можно было сравнивать энергетические эффекты различных про-цессов, термохимические расчеты обычно относят к 1 моль ве¬щества и стандарт-ным условиям.
За стандартные условия принимают давление 101325 Па (1 атм) и температуру 25°С (298,15К). Стандартные тепловые эффекты обозначают ΔН°298 (ΔU°298).
Уравнения химических реакций с указанием теплового эффекта называют тер-мохимическими уравнениями. В термохимических уравнениях указывается также фазовое состояние и полиморфная модификация реа¬гирующих и образующихся веществ:
г - газовое, ж - жидкое, к - кристаллическое, т - твердое, р - растворенное и т.д.
Стандартной молярной энтальпией образования называется тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых веществ (ΔН°f,298) Стандартные энтальпии образования простых веществ, устойчивых в стандартных условиях прини-мают равными нулю.
Стандартной молярной энтальпией реакции назыавается изменение энталь¬пии при стандартных условиях в расчете на 1 моль реакции, т.е. в соответствии с тем, как она описывается стехиометрическим химическим уравнением.
Стандартной молярной энтальпией нейтрализации называется из¬менение энтальпии при образовании 1 моль воды в результате нейтрализации каких-либо кислоты и щелочи при температуре 298 К и давлении 101325 Па.
Стандартной молярной энтальпией гидратации называется количество теплоты, которое выделяется при переходе 1 моль ионов из вакуума в водный раствор.
Калориметрия
Калориметр - это теплоизолированный сосуд, используемый для измерения количества энергии, высвобождаемой или поглощаемой в результате химической реакции или физического превращения.
Типичный калориметрический эксперимент состоит в том, что энергия, выделяющаяся в результате химического превращения, передается воде или самой реак-ционной смеси, после чего измеряется повышение их температуры. Энергия, выделяемая в ходе реакции, определяется следующим соотношением:
Q = (Cсосуд + m • C содерж) • ΔT,
где Q - энергия, переданная в форме тепла сосуду и его содержимому; Ссосуд - тепло-емкость сосуда; m - масса содержимого сосуда (вода или реакционная смесь); Cсодерж - удельная теплоемкость содержимого и ΔТ - изменение температуры.
Приближенные измерения измене¬ний энтальпий для реакций в растворах можно проводить с помощью простейшего калори¬метра, в качестве которого достаточно исполь¬зовать калориметрическую установку, показан¬ную на рисунке. Она состоит из калориме¬трического стакана 2, вставленного в другой стакан 1. Во избежание потерь теплоты через стенки, калориметрический сосуд и внешний стакан не должны соприкасаться. Калориметрический стакан имеет крышку 3, в которую через отверстия вставлены термометр 4, мешалка 6 и воронка 5 для внесения веществ в стакан.
Экспериментальная часть
Опыт 1. Определение теплоты нейтрализации.
Приготовьте по 100 мл 1,0 М растворов гидроксида натрия NaOH и соляной кислоты HCl. Взвесьте калориметрический стакан. Внесите в него приготовленный раствор щелочи и отметьте температуру с точностью до 0,1°С. Измерьте температуру раство-ра кислоты с той же точностью. Затем раствор кислоты влейте в калориметрический стакан при непрерывном помешивании. Отметьте максималь¬ную температуру, кото-рую покажет термометр после сливания растворов.
Вычислите количество теплоты, выделившейся при реакции.
Обработка экспериментальных данных
Молярное изменение энтальпии в рассмотренной реакции нейтра¬лизации равно:
ΔНн = [Qp/ n(H2O)], (1)
где Qр - тепловая энергия, выделившаяся в ходе эксперимента; n – число молей воды, образовавшейся в результате эксперимента. Знак " - " указывает на то, что в данном процессе происходит выделение энергии (система теряет энергию).
1. Определить величину Qр.
Поскольку реакция проводится при Р - const, то Q = Qр, теплоемкость калори-метрического стакана пренебрежимо мала, это позволяет воспользоваться для вычис-ления Qр уравнением:
Q = mж • Сж • ΔT (кДж), ΔT = Ткон – Тнач (2)
где mж – масса содержимого сосуда, Сж – удельная теплоемкость р-ра.
Принять, что начальная температура - это среднеарифметическая температура кислоты и щелочи, а конечная – это наивысшая температура после сливания раство-ров. Плотность и удельная теплоемкость реакционной смеси совпадают с аналогич-ными свойствами воды (плотность раствора равна единице, удельная теплоемкость раствора – 4,18•103 Дж/(К• кг).
2. Определить количество молей воды n (H2O).
Реакция протекает по уравнению:
HCl (p) + NaOH (p) → NaCl (p) + H 2O (p)
n (HCl) = n (H 2O), n (H 2O) = V • c, (3)
где V- объем HCl , взятый для реакции, дм3; с – концентрация HCl (1 моль/дм3 ).
3. Определить теплоту нейтрализации ΔНн по формуле (1).
4. Сравнить полученный результат с теоретическим значением, вычисленным для ре-акции
Н+(р)+ОН(р)→H2O(ж), ΔН°298,н =55,6кДж/моль H2O
0 230,19 285,83
(под формулами веществ приведены стандартные энтальпии (теплоты) образования Δ Н°f,298).
5. Определить относительную ошибку опыта (%).
(%) = [(Хi - Хдейств)/ Хдейств] • 100, (4)
где Хi - ΔНн, Хдейств = 55,6 кДж/моль H 2O.
Опыт 2. Определение теплоты растворения гидроксида натрия (щавелевой кислоты).
Подготовьте калориметрический стакан, налейте в него 45 мл дистиллированной воды, определите ее температуру с точностью до 0,1 К.
Отвесьте около 5 г гидроксида натрия (щавелевой кислоты). Быстро и аккуратно высыпьте щелочь в калориметрический сосуд. Осторожно перемешивая раствор, следи-те за изменением температуры. Отметьте наивысшую температуру.
Обработка экспериментальных данных
1. Вычислить количество теплоты, выделившейся при растворении гидроксида натрия (щавелевой кислоты).
За начальную примите температуру воды, а за конечную - наивысшую температуру раствора. Пусть плотность раствора равна единице (ρ(р) = 1 г/см3), его удельная теплоемкость - удельной теплоемкости воды [4,18•103 Дж/(К• кг)]:
Qp = m (p) • С (p) • ΔТ, ΔТ = Ткон - Тнач , (5)
где m(p) - масса раствора, С(p) - удельная теплоемкость раствора.
2. Определить количество молей гидроксида натрия (щавелевой кислоты) по формуле:
n [(NaOH)] = m/M(NaOH),n[(COOH)2]=m/M[(COOH)2] (6)
М [(NaOH)] = 40,0г/моль, М [(COOH)2] = 90,04г/моль.
Процесс растворения щавелевой кислоты можно представить следующими уравне-ниями:
НООССООН (К) + 2Н2О (ж) = НООССООН • 2Н2О (к),ΔН°гидр
НООССООН•2Н2О(к)+nН2О(ж)=НООССООН(р)+(n+2)Н2О (р),ΔН°1
НООССООН(К)+(n+2)Н2О(ж) = НООССООН(р)+(n+2)Н2О(р),
ΔН°гидр + ΔН°1 = ΔН°2
Процесс растворения гидроксида натрия можно представить следующими уравне-ниями:
NaOH (к) + Н2О (ж) = NaOH • Н2О (к), ΔН°гидр
NaOH • nН2О (к) + nН2О (ж) = NaOH (р) + nН2О (р),ΔН°1
NaOH (к) + (n+1)Н2О (ж) = NaOH (р) + (n+1)Н2О (р),
ΔН°гидр + ΔН°1 = ΔН°2
3. Определить теплоту растворения ΔН°2 в кДж/моль.
ΔН°2 = Qp/n[(COOH)2] или ΔН°2 = Qp/n[(NaOH)] (7)
Последнее изменение: Суббота 15 Октябрь 2011, 13:16