Термохимия

Вопросы к семинару

1. Способы выражения состава раствора. Вывод формул перехода от одного способа выражения состава раствора к другому.

3. Рассчитать объем 98%-ной серной кислоты ( г/мл) для приготовления: а) 200 мл 84,3% раствора ( г/мл); б) 400 мл 0,01н раствора ( г/мл).

4. Решить одну из следующих задач каждому студенту по [6] №223-231.

Химические реакции, как правило, сопровождаются тепловыми эффектами, которые изучают в специальном разделе – термохимии.

Термохимические расчеты основаны на применении закона Гесса (1836 г.): тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном давлении или постоянном объеме, не зависит от способа ее проведения, и определяется лишь начальным и конечным состоянием системы реагирующих веществ. В частности, если процесс идет в несколько стадий при р=const, то его общий тепловой эффект (DH) равен сумме тепловых эффектов всех этих стадий [8].

Теплота растворения соли. Растворение представляет собой физическое или химическое явление в зависимости от природы веществ. Химические процессы растворения, как и химические реакции, сопровождаются значительными тепловыми эффектами. Рассмотрим, почему одни соли в воде растворяются с выделением тепла, как, например: , кДж/моль,

а другие – с поглощением: , кДж/моль.

При растворении соли в воде происходят два основных процесса. Первый – эндотермический, связанный с разрушением кристаллической решетки; второй – экзотермический, обусловленный гидратацией ионов соли (причем DH образования гидратов тем отрицательнее, чем выше заряд иона и меньше его радиус). И если по абсолютной величине DH первого процесса больше, то растворение идет с эндоэффектом; если же второго, то – с экзоэффектом.

Теплота нейтрализации. Тепловой эффект реакции нейтрализации, как и других химических процессов, можно представить алгебраической суммой энтальпий (т.е. DH) разрушения прежних химических связей и образования новых.

Так, при смешении растворов сильной кислоты и щелочи энергия затрачивается на разрушение гидратных оболочек ионов водорода () и гидроксила (), но выделяется при образовании молекул воды (). Тепловой эффект суммарного процесса: равен алгебраической сумме указанных теплот. (Здесь не учитываются теплоты взаимного разбавления при смешении растворов.)

При взаимодействии щелочи со слабой кислотой энергия затрачивается не только на дегидратацию реагирующих частиц, но и на осуществление диссоциации слабого электролита, например: .

Последний процесс более энергоемок, чем дегидратация ионов, поэтому суммарный тепловой эффект данной реакции нейтрализации менее отрицателен, чем при взаимодействии щелочи с сильной кислотой.

.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «Определение тепловых эффектов»

Для определения тепловых эффектов химических процессов их проводят в специальном приборе – калориметре, а величину DH рассчитывают по изменению температуры (Dt) в ходе данного процесса, используя теплового значения калориметра (К), по формуле:

(кДж/моль),

где n – количество реагента, взятого в недостатке. Значение К показывает, какому тепловому эффекту соответствует повышение температуры на один градус, иначе говоря: Кравно количеству тепла, которое необходимо затратить, чтобы нагреть калориметр с его содержимым на 1⁰С, и имеет размерность: кДж/(моль_*градус).

Поскольку К представляет собой сумму теплоемкостей всех составных частей, входящих в калориметрическую систему, то его можно определить, точно зная массы и удельные теплоемкости всех деталей и содержимого калориметра. Но в настоящей работе значение К предлагается найти экспериментально по при строго определенном разбавлении серной кислоты, DH которого известен.

1. Определение при разбавлении кислоты.

а) С помощью ареометра определить концентрацию имеющейся в наличии концентрированной серной кислоты и приготовить из нее 200 мл 84,3%-го раствора ( г/мл) – один на подгруппу,охладить его до комнатной Т.

б) Собрать установку (рис. 4). Она состоит из сосуда Дьюара (1) емкостью 1 л, внутри которого помещены теплоизолирующая прокладка (2) и стакан (3) объемом 200 мл. Сосуд Дьюара закрывается крышкой (4), имеющей три отверстия: для помещения термометра (5), небольшой воронки с широким тубусом (6) и мешалки (7). При помощи специального держателя укрепить термометр (его перед началом опыта надо вставлять в калориметр последним, а после окончания опыта вынимать из установки в первую очередь).

в) Чтобы определить при разбавлении кислоты, в стакан (3) с помощью мерного цилиндра налить 100 мл воды и измерить ее Т.

Показания термометра нужно снимать следующим образом: один студент перемешивает жидкость с помощью мешалки; одновременно он следит за секундомером и диктует время отсчета. За пять секунд до начала отсчета диктующий говорит: «Внимание». В это время второй студент с лупой оценивает приблизительное положение ртутного столбика в термометре и, когда диктующий скажет: «Отсчет!» – записывает соответствующие показания термометра. Их следует фиксировать с помощью лупы до десятых долей градуса через каждую минуту на протяжении всего опыта.

Эксперимент начинают с определения температурного хода калориметра. Для этого измеряют температуру содержимого калориметра в течение не менее 5 мин (начальный период опыта). Если при этом изменения Т достаточно равномерны и невелики, то начинают главный период опыта (при котором также фиксируют показания термометра); т.е. в определенный момент в калориметр через воронку, не прекращая перемешивания, добавляют второй реагент – 3,45 мл полученного раствора кислоты (его отмерить пипеткой на 10 мл с делениями).

После того, как процесс (разбавление кислоты) закончится, температурный ход в калориметре снова станет равномерным и небольшим. В этом последнем периоде опыта температурные отсчеты делать в течение 5 мин. Провести не менее двух параллельных опытов по определению при разбавлении кислоты.

2. Определение при растворении соли. С точностью до 0,01 г взять навеску (из приведенных в табл. 10) одной из солей, указанной преподавателем.

В калориметр с помощью мерного цилиндра налить 80 мл воды (комнатной температуре) и далее, используя методику опыта 1в, определить растворения соли, высыпая ее навеску в воду в начале главного периода. Провести два параллельных опыта по определению растворения соли.

Таблица 10. Навески солей для определения DH их растворения

Название соли	Формула	Навеска, г
Хлорид калия		6,55
Кристаллическая сода		3,26
Дихромат калия		3,34
Гидрофосфат натрия (12-ти водный)		4,07

Таблица 11. Теплоты растворения некоторых солей в воде

№	Соль	Число молей воды на 1 моль соли	t ^0C	, кДж/моль
				18,4
	[18]			67,3
				69,9
				95,6

3. Определение при реакции нейтрализации. Рассчитать, какую навеску щелочи нужно взять для приготовления 1 л раствора (один на подгруппу), в 100 мл которого содержалось бы на 5% меньше молей эквивалентов щелочи, чем количество эквивалентов серной кислоты в 3,45 мл 84,3%-го раствора. По результатам расчета приготовить раствор щелочи и охладить его до комнатной температуры. Налить в калориметр 100 мл полученного раствора щелочи и определить ее нейтрализации (используя методику опыта 1в) при добавлении (в начале главного периода) 3,45 мл 84,3%-ой серной кислоты. Опыт провести 2 раза.

Поправки на теплообмен со средой. Результаты опытов 1, 2 и 3 изобразите в виде графиков на миллиметровой бумаге, откладывая на оси абсцисс время в минутах (1 см – это 1 мин), а на оси ординат – показания термометра (пример графика для опыта 2 показан на рис. 5).

Подчеркнем, что именно наличие температурного хода в начальном (АВ) и конечном (СД) периодах свидетельствует о том, что во время опыта имеет место теплообмен калориметра с окружающей средой. В расчетах это учитывается следующим образом: прямая АВ экстраполируется вправо, СД – влево. Через среднюю точку (Е) отрезка ВС проводится перпендикуляр к оси абсцисс до пересечения его с линиями АВ и CD. Величина отрезка LN соответствует изменению температуры калориметра: , вызванному только проводимым процессом.

Расчеты теплового значения калориметра и . Исходя из того, что величина разбавления кислоты (опыт 1) равна –46,2 кДж/моль, рассчитать тепловое значение калориметра (величину К), используя вышеприведенное равенство.

Затем найти растворения соли (опыт 2) по формуле:

(кДж/моль), где m – навеска (в граммах) соли, М – ее мольная масса. Сравнить со справочным значением (табл. 11). Указать причины возможных расхождений. Рассчитать погрешность эксперимента.

Аналогично определить процесса нейтрализации с учетом разбавления кислоты (опыт 3). Объяснить причины отклонения найденного значения теплоты нейтрализации от справочного:

, кДж/моль.

Дата добавления: 2014-11-20