Определение тепловых эффектов химических реакций

Цель работы: определить опытным путем тепловые эффекты процессов растворения из полученных данных, пользуясь законом Гесса, рассчитать теплоты гидратации солей.

Теоретическая часть.

Все химические реакции сопровождаются выделением или поглощением энергии, чаще всего в виде тепла Количество последней может быть измерено и выражено в единицах энергии (Дж, кал и т.д.)

Разница первоначального и конечного уровней энергии системы представляет собой энергетический эффект или изменение энтальпии реакции, который обозначается ΔН_r.

При экзотермических реакциях система с большим запасом энергии переходит в состояние с меньшим запасом энергии. Такие реакции сопровождаются выделением тепла, и их тепловой эффект считается отрицательным (ΔН_r <0).

При эндотермических реакциях, наоборот, система с меньшим запасом энергии переходит в состояние с более высоким запасом энергии. Такие реакции сопровождаются поглощением тепла, и их тепловой эффект принято считать положительным (ΔН_r >0).

Для термохимических расчетов большое значение имеют величины энтальпий образования веществ.

Под энтальпией образования вещества понимается изменение энтальпии реакции образования одного моля сложного вещества из простых веществ, например:

+90,4 кДж/моль;

Верхний и нижний индексы при ΔН указывают на то, что энтальпия образования приведена к стандартным условиям (давление 101325 Па или 1 атм и температура 298 К или 25⁰ С).

Значения энтальпий образования веществ приведены в таблицах термодинамических потенциалов.

Термохимические расчеты основаны на использовании закона Гесса и вытекающих из него следствий:

1. Тепловой эффект химического процесса равен сумме тепловых эффектов всех промежуточных стадий процесса.

Например, процесс получения двуокиси углерода из угля и кислорода может быть проведен в одну стадию:

С(т) + О₂(г) = СО₂(г) ΔН_r = -94 ккал

Но этот же процесс можно провести в две стадии:

С(т) + 1/2 О₂(г) -= СО(г) ΔН_r = -26,4 ккал

CO(г) + 1/2O₂(г) = CO₂(г) ΔН_r =-67,6 ккал

Согласно закону Гесса, сумма тепловых эффектов двух последних реакций должна равняться тепловому эффекту первой реакции, что и наблюдается в действительности: {-26,4-67,6 = -94 (ккал)}.

2. Тепловой эффект химической реакции равен разности теплот образования конечных и исходных участников реакции, умноженных на их стехиометрические коэффициенты (т.e. коэффициенты перед формулами данных веществ в уравнении реакции).

Например, реакция горения пропана протекает по схеме:

С₃Н₈(г) + 5О_г(г) = ЗСО₂(г) + 4Н₂О(г)

Теплоты образования и соответственно равны -103,8; -393,6 и-241,9 кДж/моль.

Тепловой эффект реакции горения С₃Н₈(г) рассчитывается по формуле:

Практическая часть

Методика проведения опытов:

Для определения тепловых эффектов процессов, протекающих в водных растворах, используют простейший калориметр, приведенный на рис 2.1.

Рис.2.1. Схема калориметра:

1 - внешний стакан калориметра; 2 -внутренний стакан калориметра, 3 - теплоизолирующая прокладка; 4-термометр; 5 - мешалка.

Так как слой воздуха, находящийся между стенками внешнего и внутреннего стаканов калориметра, является хорошим теплоизолятором, то все тепло, выделяющееся (или поглощающееся) в результате протекания реакции, идет на нагревание (или охлаждение) реакционной смеси и внутреннего стакана калориметра. Экспериментально определяется изменение температуры реакционной смеси, сопровождающее данный процесс. Для этого во внутренний стакан калориметра отмеривают с помощью мерного цилиндра 25 - 30 мл воды и измеряют начальную температуру t_нач. с помощью термометра, который помещают непосредственно в жидкость, следя, чтобы он не касался дна и стенок внутреннего стакана (см. рис.1).

Не вынимая термометра из жидкости, во внутренний стакан засыпают сухую соль. Раствор перемешивают мешалкой до полного растворения, следя одновременно за показаниями термометра. Температура в ходе процесса может повышаться или понижаться. Конечную температуру t_кон. фиксируют в тот момент, когда столбик термометра останавливается.

Все данные, необходимые для расчетов, сводят в таблицу (форма таблицы дана в описании опытов).

Тепловой эффект процесса, протекающего в калориметре, рассчитывается по формуле:

где С_р._ра - удельная теплоемкость раствора, находящегося во внутреннем стакане калориметра, которую можно принять равной удельной теплоемкости воды С_{н 0} - 4,18 Дж/г град;

т_р-ра — масса раствора во внутреннем стакане калориметра, г;

С_кал - удельная теплоемкость внутреннего стакана калориметра;

т_кал — масса калориметра;

Δt - изменение температуры в ходе опыта, град С.

Учитывая, что удельная теплоёмкость стекла, из которого сделан внутренний стакан калориметра, мала, вторым слагаемым можно пренебречь, тогда формула для расчета теплового эффекта примет вид:

Опыт №1. Определение мольной теплоты растворения соли.

Опыт проводят согласно описанию с выданной преподавателем навеской соли. Химическая формула соли и ее масса указаны на обертке навески. Данные, необходимые для расчета, сводят в таблицу 2.1.

Таблица 2.1. Параметры для расчета мольной теплоты растворения соли.

Химическаяформула соли	г	г				г/моль	Дж/г·град	кДж/моль
1.							4,18
2.							4,18

Мольную теплоту растворения, то есть теплоту, выделяющуюся или поглощающуюся при растворении в воде 1 моля соли, рассчитывают по формуле:

Пользуясь приведенной в конце работы таблицей, в которой приведены теоретические значения мольных теплот растворения некоторых солей, рассчитайте относительную погрешность определения:

Опыт №2. Определены мольной теплоты гидратации соли.

Гидратацией называют процесс присоединения к соли определенного количества молекул воды с образованием кристаллогидрата данной соли, например:

Na₂СO₃ + l0H₂O = Na₂CO₃ · 10Н₂О.

Для определения мольной теплоты гидратации в воде растворяют сначала навеску

безводной соли:

Na₂СO₃ + п H₂O = Na₂CO₃ · п Н₂О; ΔНрастворения безв.соли

а затем навеску кристаллогидрата данной соли

Na₂CO₃ · 10Н₂О + (п -10)H₂O = Na₂CO₃ · п Н₂О; ΔНрастворения кристаллогидрата

Оба процесса проводят согласно описанию, данному в практической части, и данные вносят в таблицу 2.1.

Пользуясь формулой для расчета мольной теплоты растворения, приведенной в 1-ом опыте, рассчитывают ΔН растворения безводной соли и кристаллогидрата.

Теплоту гидратации вычисляют, пользуясь законом Гесса:

ΔНрастворения безв.соли = ΔНгидратации + ΔНрастворения кристаллогидрата

Относительную погрешность определения рассчитывают исходя из данных табл.2.

Таблица 2.2. Мольные теплоты растворения и гидратации для некоторых солей и кристаллогидратов

Формула соли или кристаллогидрата	ΔНгидратации, кДж/моль	ΔНрастворения, кДж/моль
CuSO4 · 5Н2О	77,8	+10,50
ZnSO4 · 7H2O	-95,0	+18,87
K2Cr207		+70,0
Na2CO3 безв.		-25.0
MgSO4		-84,8
СаС12		-72,8
Na2SO4·10H2O	80,5
NH4NO3		+26,8
Na2S2O3		+27,6

Выводы:

в выводах каждого опыта должно быть указано, какой тип реакций - экзо- или эндотермическая - наблюдается для данной соли и на основании чего можно сделать такое заключение.

Лабораторная работа №3

Дата добавления: 2014-11-07