Практическая работа

1) Выполнить лабораторную работу «Определение энтальпии различных химических процессов».

2) Цель работы: Овладеть навыками экспериментального определения энтальпии химических процессов на примере реакции нейтрализации и процессов растворения химических соединений.

3) Методика проведения работы.

Определение теплоты, выделяемой или поглощаемой при протекании химического процесса, осуществляется с помощью калориметра. Калориметр – устройство, в котором количество теплоты, выделяемой или поглощаемое в ходе процесса, измеряется по изменение температуры калориметра. Калориметр состоит из двух сосудов – внешнего и внутреннего, пространство между которыми представляет воздушную изотермическую оболочку для предотвращения потерь теплоты. Крышка внутреннего сосуда снабжена отверстиями для ручной мешалки, воронки для введения веществ, термометра для измерения температуры.

Опыт 1. Определение энтальпии нейтрализации сильной кислоты щелочью

Варианты
Кислота	HCl	HCl	HNO3	HNO3
Щелочь	NaOH	KOH	NaOH	KOH

Уравнение реакции нейтрализации: HCl (p) + NaOH (p) = NaCl (р) + H₂O (ж)

Н⁺ (р) + ОН^- (р) = H₂O (ж)

Расчет энтальпии нейтрализации сильной кислоты щелочью ведется по кратному ионному уравнению, которое отражает сущность взаимодействия сильных электролитов.

1. Взвесьте внутренний сухой стакан калориметра с точностью до 0,1 г.

2. Налейте в него 25 мл 2н раствора кислоты и измерьте начальную температуру раствора.

3. Быстро прилейте 25 мл 2н раствор щелочи, перемешайте и определите конечную температуру смеси – наивысшую температуру раствора.

4) Результаты представить в виде заполненной таблицы:

t	t	∆t	Теплота, пошедшая на нагревание смеси	Теплота, пошедшая на нагревание стакана
			Vp	ρp	Cp	Q1	m	C	Q2

Расчет количество теплоты, которое выделилось при нейтрализации и пошло на нагревании смеси, произвести по формуле: Q₁ = Cp ρ_p V_p ∆t,

где V_p – суммарный объем раствора, мл;

ρ_p – плотность раствора, для разбавленных растворов принимается равной плотности воды,

т.е. 1 г/мл;

C_p – удельная теплоемкость раствора, равная 3,5 Дж/(г К);

∆t – разность между конечной и начальной температурами.

Расчет количество теплоты, пошедшее на нагревание стакана, произвести по формуле:

Q₂ = C m ∆t,

где m – масса стакана, г;

С – удельная теплоемкость стекла, равная 0,838 Дж/(г К).

Расчет экспериментальной энтальпии реакции нейтрализации для одного моль эквивалентов кислоты произвести по формуле:

ΔН_нейтр. = -(Q₁ + Q₂) / n_э [Дж/моль],

где n_э - число моль эквивалентов кислоты, взятое для реакции, которое рассчитывают по формуле: n_э = С_HCl V_HCl.

(Повышение температуры в калориметре свидетельствует о том, что энтальпия системы уменьшилась).

Сравните полученный результат с рассчитанным теоретическим значением и вычислите относительную ошибку опыта:

5) В выводе ответьте на следующие вопросы:

а) По изменению температуры опыта укажите, экзо- или эндотермической является реакция нейтрализации сильной кислоты щелочью? Какой знак имеет энтальпия этой реакции?

б) Объясните, почему энтальпия нейтрализации сильной кислоты щелочью не зависит от природы кислоты или щелочи и является величиной постоянной.

Опыт 2. Определении энтальпии растворения вещества

Варианты
Соль	КCl	Na2CO3
Навеска, г	7,45	10,60

Уравнения физико-химического процесса растворения солей:

KCl _(т) + n H₂O = K⁺ _(p) + Cl^- _(p) ΔН _{растворения} (KCl)

Na₂CO_{3 (т)} + n H₂O = 2 Na⁺ _(p) + CO₃^2- _(p) ΔН _{растворения} (Na₂CO₃)

Теплота растворения твердого вещества в жидкости складывается из тепловых эффектов двух стадий: а) затраты энергии на разрушение кристаллической решетки, ΔН _реш. > 0; б) выделения энергии в результате взаимодействия растворяемого вещества с растворителем с образованием сольватной (гидратной) оболочки, ΔН _гидр. < 0.

ΔН _{растворения} = ΔН _реш. + ΔН _гидр.

Суммарная (интегральная) теплота растворения может быть положительной или отрицательной в зависимости от соотношения величин обоих слагаемых. Она равна количеству теплоты, выделившейся или поглощенной при растворении 1 моль веществ в большом объеме растворителя (кДж/моль).

1. В калориметр при помощи мензурки налейте 100 мл дистиллированной воды и измерьте начальную температуру.

2. Высыпьте в калориметр приготовленную навеску безводной соли.

3. непрерывно помешивая раствор мешалкой, наблюдайте за изменениями температуры в течение 6-10 минут с интервалом в 1 минуту.

4. Результаты занесите в таблицу.

Время начала опыта, мин
Температура, ^0С	tнач

Определите максимальную температуру t_конеч. и вычислите разность температур:

Δt = (t_конеч. – t_нач.)

Расчет энтальпии растворения 1 моль соли произвести по формуле:

где (m_воды + m_соли) – масса раствора, равная сумме масс воды и соли, г;

С_р – удельная теплоемкость раствора, равная 3,8 Дж/ (г К);

М_соли – молярная масса соли, г/моль;

m_соли – навеска соли, г.

Сравните полученный результат с табличными значениями теплоты растворения солей:

ΔН_{растворения} (КСl) = + 17,28 кДж/моль ΔН_{растворения} (Na₂CO₃) = - 23,60 кДж/моль

Рассчитайте относительную ошибку в процентах. В выводе отметьте причину отклонения экспериментально найденной величины ΔН_{растворения} от табличного значения; укажите, экзо- или эндотермическим является процесс растворения каждой соли.

4. Задачи для самостоятельного разбора на занятии:

1. Пользуясь табличными данными, рассчитайте тепловые эффекты следующих реакций:

а) С₂Н₅ОН _(г) + ¹/₂ О_{2 (г)} → СН₃СООН _(ж) + Н₂О _(ж) б) С₆Н₁₂О_{6 (т)} → 2С₂Н₅ОН _(ж) + 2СО_{2 (г)}

2. Рассчитайте тепловой эффект реакции гидратации 2,24 л этилена до этилового спирта в стандартных условиях.

3. Вычислите стандартную теплоту образования сахарозы C₁₂H₂₂O₁₁ если тепловой эффект реакции:

C₁₂H₂₂O_11(Т) + 12О_{2 (г)}→ 12СО_2(г)+ 11Н₂О_(Ж) равен - 5694 кДж.

4. Ферментативное дегидрирование пропанола-2 протекает по следующему уравнению:

Фермент

CH₃-CH(OH)-CH₃ → CH₃-CO-CH₃ + H₂

Определите, какое количество энергии выделится или поглотится при этом, если известны энтальпии сгорания веществ (кДж/моль): ΔН°₂₉₈(пропанола) = -2002, ΔН°₂₉₈(ацетона) = -1789, ΔН°₂₉₈(Н₂) = - 285.

5. Напишите уравнение реакций, тепловой эффект которых был бы стандартной теплотой образования глюкозы; азотной кислоты; аммония хлорида.

6. Рассчитайте, сколько энергии получает грудной малыш при искусственном вскармливании 100 г молочной смеси "Детолакс", имеющей состав: белки 13,7%, жиры 27%, углеводы 53%. Сколько такой смеси требуется ребенку массой 4 кг, если суточная потребность энергии у детей первых трех месяцев жизни составляет в среднем 500 кДж/кг или 120 ккал/кг?

7. Подсчитайте калорийность традиционного завтрака англичан, съедающих около 300 г овсяной каши, имеющей состав: белки 9%, жиры 1,4%, углеводы 70%.

8. Стандартная теплота образования NH₃ и РН₃ равна соответственно -46,2 и +5,1 кДж/моль. Какой следует сделать вывод из этих данных об относительной устойчивости молекул NH₃ и РН₃?

9. Не проводя расчета, определите, как изменяется энтропия в следующих реакциях:

NH_{3 (г)} + НС1 _(г) → NH₄C1 _(т) СОС1_{2 (г)} → СО_{2 (г)} + С1_{2 (г)} РС1_{3 (г)} + С1_{2 (г)} → РС1_5(г)

10. Определите возможность самопроизвольного протекания в стандартных условиях следующей реакции:

CH₃-CO-CH₃ + H₂ → СН₃СН₂ОН_(Ж)

11. Дайте заключение о направлении самопроизвольного протекания реакции при 37⁰С. Определите, какой фактор энтальпийный или энтропийный оказался решающим:

СН₃СООС₂Н₅ (_Ж) + Н₂О _(ж) → СН₃СООН _(ж) + С₂Н₅ОН _(ж)

Для этилацетата: ΔН°_о6р= -469,5 кДж/(моль К), S°₂₉₈= 259 кДж/(моль К); для СН₃СООН: S°₂₉₈= 160 кДж/(моль К)

12. Определите, каким процессом в организме: экзо - или эндоэргоническим является окисление молочной кислоты в пировиноградную (при 37°С):

Фермент

CH₃-CH(OH)-CH₃ → CH₃-CO-CH₃ + H₂

ΔН°_о6р, кДж/моль -673 -586 0

S°₂₉₈, Дж/ (моль К) 192 179 131

13. Фосфорилирование глюкозы: глюкоза + фосфат = глюкозо-6-фосфат – эндоэргонический процесс (ΔG⁰ = 13.3 кДж/моль) и сопряжен с гидролизом АТФ (ΔG⁰ = -30,5 кДж/моль). Запишите уравнение суммарной реакции и рассчитайте для нее ΔG⁰.

14. Синтез дипептида аланилглицина сопряжен с гидролизом АТФ: аланин + глицин + АТФ = аланилглицин + АДФ + фосфат, ΔG⁰ = -13.3 кДж/моль. Рассчитайте ΔG⁰ для реакции синтеза дипептида в отсутствии АТФ, если для гидролиза АТФ ΔG⁰ = -30,5 кДж/моль.

15. Вычислите ΔG⁰ процесса: ацетилфосфат + АДФ = ацетил + АТФ, если известно, что для гидролиза ацетилфосфата ΔG⁰ = -43,1 кДж/моль, а для гидролиза АТФ ΔG⁰ = -30,5 кДж/моль.

Рекомендуемая литература:

Основная:

1. В.А. Попков, С.А. Пузаков Общая химия: Учебник. - М.: ГЭОТАР-Медиа. - 2010.

2. С.А. Пузаков, В.А. Попков. Сборник задач и упражнений по общей химии. - М.: Высшая школа. – 2004.

Дополнительная:

1. В.И. Слесарев. Основы химии живого.- Санкт-Петербург: Химиздат.- 2001.

2. А.В. Суворов, А.Б. Никольский. Вопросы и задачи по общей химии. – Санкт-Петербург: Химиздат. – 2002.

Методические указания подготовлены: доцентами Н.И. Никитиной и Е.И. Казаковой

Методические указания утверждены на заседании кафедры №_____ от «___» ________20___ г.

Зав. кафедрой: _____________________________/Е.И. Казакова

Дата добавления: 2015-05-09